[RU]

1. Способ отделения заданного компонента газа от газовой смеси, причем заданный компонент газа выбран из группы, состоящей из СО ₂ , H ₂ S и их сочетания, включающий: а) направление газовой смеси, содержащей указанный заданный компонент газа, на стадию адсорбции путем введения ее со стороны подачи сырья в слой адсорбента, селективного по отношению к адсорбции указанного заданного компонента газа, причем слой адсорбента имеет сторону подачи сырья и сторону выхода продукта, и слой адсорбента эксплуатируют при первом давлении и первой температуре, причем первое давление составляет от 100 кПа (абс.) до 60 МПа (абс.) (от 1 до 600 бар (абс.)), при этом слой адсорбента адсорбирует указанный заданный компонент газа, а газообразный продукт, обедненный заданным компонентом газа, выходит со стороны выхода продукта из указанного слоя адсорбента; б) прекращение введения указанной газовой смеси в указанный слой адсорбента до того, как проскок указанного заданного компонента газа достигнет стороны выхода продукта из указанного слоя адсорбента; в) герметизацию стороны подачи сырья в указанный слой адсорбента; г) внешний нагрев герметизированного слоя адсорбента до второй температуры, которая выше указанной первой температуры, что приводит к десорбции по меньшей мере части указанного заданного компонента газа из указанного слоя адсорбента и, таким образом, приводит к увеличению давления указанного заданного компонента газа и к увеличению давления в слое адсорбента до второго давления; д) извлечение по меньшей мере первой части указанного заданного компонента газа при втором давлении, которое выше давления в начале стадии нагрева (г); е) снижение давления в слое адсорбента до третьего давления, которое ниже указанного второго давления, и извлечение второй части заданного компонента газа, при этом снижение давления происходит за две или более стадии, и на каждой стадии давление в слое адсорбента снижают до более низкого значения, чем на предыдущей стадии; ж) внешнее охлаждение по меньшей мере части указанного слоя адсорбента на стороне подачи сырья до третьей температуры, которая ниже указанной второй температуры на стадии (г); з) восстановление давления в указанном слое адсорбента для следующего цикла адсорбции.

2. Способ по п.1, в котором давление в слое адсорбента понижают в противотоке перед стадией (в) до давления, которое меньше первого давления.

3. Способ по п.1 или 2, в котором выполняется одно или более из следующих условий: первая температура составляет от -195 до 300°С (например, от 20 до 150°С), первое давление составляет от 200 кПа (абс.) до 20 МПа (абс.) (от 2 до 200 бар (абс.)), вторая температура по меньшей мере на 10°С выше первой температуры, третья температура составляет от -195 до 300°С, а газовая смесь представляет собой поток природного газа.

4. Способ по любому из предыдущих пунктов, в котором заданное вещество включает H ₂ S, причем газообразный продукт, выходящий со стороны выхода продукта из указанного слоя адсорбента, содержит H ₂ S в количестве не более 4 об.ч./млн, а подаваемая газовая смесь содержит H ₂ S в количестве от 6 до 10000 об.ч./млн.

5. Способ по любому из предыдущих пунктов, в котором слой адсорбента включает открытые потоковые каналы по всей своей длине, через которые пропускают газовую смесь, и/или представляет собой контактор с параллельными каналами.

6. Способ по любому из предыдущих пунктов, в котором внешний нагрев на стадии (г) осуществляют таким образом, чтобы получить тепловую волну, которая перемещается прямотоком по отношению к направлению потока газовой смеси через слой адсорбента или противотоком по отношению к направлению потока газовой смеси через слой адсорбента.

7. Способ по любому из предыдущих пунктов, в котором слой адсорбента состоит из материала адсорбента, который представляет собой цеолит с восьмичленными кольцами, имеющий отношение Si/Al более 500; выбран из группы, состоящей из DDR, Sigma-1, Цеолит-58 и их сочетаний и взаимопроросших структур; имеет коэффициент диффузии СО ₂ относительно метана (D _CO2 /D _CH4 ) более 10; имеет коэффициент диффузии N ₂ относительно метана (D _N2 /D _CH4 ) более 10 и/или имеет коэффициент диффузии H ₂ S относительно метана (D _H2S /D _CH4 ) более 10.

8. Способ по п.7, в котором выполняется одно или более из следующих условий: поток чистого газа, содержащий менее 1 мол.% H ₂ S и СО ₂ в сумме, пропускают через слой адсорбента противотоком по отношению к направлению потока газовой смеси через слой адсорбента (например, одновременно с по меньшей мере частью стадии (д), также как по меньшей мере с частью каждой из стадий (д), (е) и (ж)); первое давление составляет по меньшей мере 3,45 МПа (изб.) (500 фунт/кв.дюйм (изб.)); а содержащий N ₂ поток чистого газа пропускают через слой адсорбента противотоком по отношению к направлению потока газовой смеси через слой адсорбента.

9. Способ по любому из предыдущих пунктов, в котором стадию (г) нагрева выполняют таким образом, чтобы вызвать перемещение тепловой волны вдоль слоя адсорбента, например, прямотоком по отношению к направлению потока газовой смеси.

10. Способ по п.9, в котором можно определить Т ₉₀ и Т ₁₀ по отношению ко второй температуре и первой температуре таким образом, что разность температур (Т ₉₀ -Т ₁₀ ) имеет место на расстоянии не более 50% длины слоя адсорбента, где Т ₁₀ представляет собой температуру, которая на 10% выше минимальной температуры Т _мин , а Т ₉₀ представляет собой температуру, которая на 10% ниже максимальной температуры Т _макс .

11. Способ по п.9, в котором тепловая волна имеет максимальное число Пекле, Ре, менее 10, где Ре=(U ×L)/ α, где U представляет собой скорость теплообменной текучей среды; L представляет собой характеристическое расстояние, на которое переносят тепло в направлении, приблизительно перпендикулярном потоку текучей среды; α представляет собой эффективный коэффициент термодиффузии контактора на расстоянии L; U составляет от приблизительно 0,01 до приблизительно 100 м/с, a L составляет менее 0,1 м.

12. Способ по любому из предыдущих пунктов, в котором менее приблизительно 40% открытых пор слоя адсорбента имеют диаметры более приблизительно 20A и менее приблизительно 1 мкм.

13. Способ по любому из предыдущих пунктов, в котором слой адсорбента состоит из материала микропористого адсорбента, выбранного из цеолитов, ALPO материалов, SAPO материалов, MOF материалов, ZIF материалов, углерода и их сочетаний.

14. Способ по любому из предыдущих пунктов, в котором слой адсорбента состоит из материала адсорбента, выбранного из катионных цеолитов, функционализованных аминами мезопористых материалов, станносиликатов, углерода и их сочетаний.

(57) Реферат / Формула:

1. Способ отделения заданного компонента газа от газовой смеси, причем заданный компонент газа выбран из группы, состоящей из СО ₂ , H ₂ S и их сочетания, включающий: а) направление газовой смеси, содержащей указанный заданный компонент газа, на стадию адсорбции путем введения ее со стороны подачи сырья в слой адсорбента, селективного по отношению к адсорбции указанного заданного компонента газа, причем слой адсорбента имеет сторону подачи сырья и сторону выхода продукта, и слой адсорбента эксплуатируют при первом давлении и первой температуре, причем первое давление составляет от 100 кПа (абс.) до 60 МПа (абс.) (от 1 до 600 бар (абс.)), при этом слой адсорбента адсорбирует указанный заданный компонент газа, а газообразный продукт, обедненный заданным компонентом газа, выходит со стороны выхода продукта из указанного слоя адсорбента; б) прекращение введения указанной газовой смеси в указанный слой адсорбента до того, как проскок указанного заданного компонента газа достигнет стороны выхода продукта из указанного слоя адсорбента; в) герметизацию стороны подачи сырья в указанный слой адсорбента; г) внешний нагрев герметизированного слоя адсорбента до второй температуры, которая выше указанной первой температуры, что приводит к десорбции по меньшей мере части указанного заданного компонента газа из указанного слоя адсорбента и, таким образом, приводит к увеличению давления указанного заданного компонента газа и к увеличению давления в слое адсорбента до второго давления; д) извлечение по меньшей мере первой части указанного заданного компонента газа при втором давлении, которое выше давления в начале стадии нагрева (г); е) снижение давления в слое адсорбента до третьего давления, которое ниже указанного второго давления, и извлечение второй части заданного компонента газа, при этом снижение давления происходит за две или более стадии, и на каждой стадии давление в слое адсорбента снижают до более низкого значения, чем на предыдущей стадии; ж) внешнее охлаждение по меньшей мере части указанного слоя адсорбента на стороне подачи сырья до третьей температуры, которая ниже указанной второй температуры на стадии (г); з) восстановление давления в указанном слое адсорбента для следующего цикла адсорбции.

2. Способ по п.1, в котором давление в слое адсорбента понижают в противотоке перед стадией (в) до давления, которое меньше первого давления.

3. Способ по п.1 или 2, в котором выполняется одно или более из следующих условий: первая температура составляет от -195 до 300°С (например, от 20 до 150°С), первое давление составляет от 200 кПа (абс.) до 20 МПа (абс.) (от 2 до 200 бар (абс.)), вторая температура по меньшей мере на 10°С выше первой температуры, третья температура составляет от -195 до 300°С, а газовая смесь представляет собой поток природного газа.

4. Способ по любому из предыдущих пунктов, в котором заданное вещество включает H ₂ S, причем газообразный продукт, выходящий со стороны выхода продукта из указанного слоя адсорбента, содержит H ₂ S в количестве не более 4 об.ч./млн, а подаваемая газовая смесь содержит H ₂ S в количестве от 6 до 10000 об.ч./млн.

5. Способ по любому из предыдущих пунктов, в котором слой адсорбента включает открытые потоковые каналы по всей своей длине, через которые пропускают газовую смесь, и/или представляет собой контактор с параллельными каналами.

6. Способ по любому из предыдущих пунктов, в котором внешний нагрев на стадии (г) осуществляют таким образом, чтобы получить тепловую волну, которая перемещается прямотоком по отношению к направлению потока газовой смеси через слой адсорбента или противотоком по отношению к направлению потока газовой смеси через слой адсорбента.

7. Способ по любому из предыдущих пунктов, в котором слой адсорбента состоит из материала адсорбента, который представляет собой цеолит с восьмичленными кольцами, имеющий отношение Si/Al более 500; выбран из группы, состоящей из DDR, Sigma-1, Цеолит-58 и их сочетаний и взаимопроросших структур; имеет коэффициент диффузии СО ₂ относительно метана (D _CO2 /D _CH4 ) более 10; имеет коэффициент диффузии N ₂ относительно метана (D _N2 /D _CH4 ) более 10 и/или имеет коэффициент диффузии H ₂ S относительно метана (D _H2S /D _CH4 ) более 10.

8. Способ по п.7, в котором выполняется одно или более из следующих условий: поток чистого газа, содержащий менее 1 мол.% H ₂ S и СО ₂ в сумме, пропускают через слой адсорбента противотоком по отношению к направлению потока газовой смеси через слой адсорбента (например, одновременно с по меньшей мере частью стадии (д), также как по меньшей мере с частью каждой из стадий (д), (е) и (ж)); первое давление составляет по меньшей мере 3,45 МПа (изб.) (500 фунт/кв.дюйм (изб.)); а содержащий N ₂ поток чистого газа пропускают через слой адсорбента противотоком по отношению к направлению потока газовой смеси через слой адсорбента.

9. Способ по любому из предыдущих пунктов, в котором стадию (г) нагрева выполняют таким образом, чтобы вызвать перемещение тепловой волны вдоль слоя адсорбента, например, прямотоком по отношению к направлению потока газовой смеси.

10. Способ по п.9, в котором можно определить Т ₉₀ и Т ₁₀ по отношению ко второй температуре и первой температуре таким образом, что разность температур (Т ₉₀ -Т ₁₀ ) имеет место на расстоянии не более 50% длины слоя адсорбента, где Т ₁₀ представляет собой температуру, которая на 10% выше минимальной температуры Т _мин , а Т ₉₀ представляет собой температуру, которая на 10% ниже максимальной температуры Т _макс .

11. Способ по п.9, в котором тепловая волна имеет максимальное число Пекле, Ре, менее 10, где Ре=(U ×L)/ α, где U представляет собой скорость теплообменной текучей среды; L представляет собой характеристическое расстояние, на которое переносят тепло в направлении, приблизительно перпендикулярном потоку текучей среды; α представляет собой эффективный коэффициент термодиффузии контактора на расстоянии L; U составляет от приблизительно 0,01 до приблизительно 100 м/с, a L составляет менее 0,1 м.

12. Способ по любому из предыдущих пунктов, в котором менее приблизительно 40% открытых пор слоя адсорбента имеют диаметры более приблизительно 20A и менее приблизительно 1 мкм.

13. Способ по любому из предыдущих пунктов, в котором слой адсорбента состоит из материала микропористого адсорбента, выбранного из цеолитов, ALPO материалов, SAPO материалов, MOF материалов, ZIF материалов, углерода и их сочетаний.

14. Способ по любому из предыдущих пунктов, в котором слой адсорбента состоит из материала адсорбента, выбранного из катионных цеолитов, функционализованных аминами мезопористых материалов, станносиликатов, углерода и их сочетаний.

---

Евразийское 025720 (13) B1
патентное
ведомство
(12) ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ К ЕВРАЗИЙСКОМУ ПАТЕНТУ
(45) Дата публикации и выдачи патента 2017.01.30
(21) Номер заявки 201391191
(22) Дата подачи заявки
2012.02.27
(51) Int. Cl. B01D 53/04 (2006.01) B01D 53/047 (2006.01)
(54) СПОСОБ КОРОТКОЦИКЛОВОЙ АДСОРБЦИИ ПРИ ПЕРЕМЕННОМ ДАВЛЕНИИ И ТЕМПЕРАТУРЕ
(31) 61/447,806; 61/447,812; 61/447,824; 61/447,835; 61/447,848; 61/447,869;
61/447,877
(32) 2011.03.01
(33) US
(43) 2014.02.28
(86) PCT/US2012/026751
(87) WO 2012/118742 2012.09.07
(71) (73) Заявитель и патентовладелец:
ЭКСОНМОБИЛ РИСЕРЧ ЭНД ИНДЖИНИРИНГ КОМПАНИИ (US)
(72) Изобретатель:
Камакоти Прити, Лета Дэниел П., Декман Гарри В., Равикович Питер И., Андерсон Томас Н. (US)
(74) Представитель:
Поликарпов А.В. (RU)
(56) US-A1-2003015093 US-A1-2005045030 WO-A1-2010096916 WO-A1-2008143826 WO-A1-2008143966
(57) Способ короткоцикловой адсорбции при переменных давлении и температуре для удаления заданных веществ, таких как кислый газ, из газовой смеси, такой как поток природного газа. В данном документе при обработке используют новую многостадийную короткоцикловую адсорбцию при переменных температуре и давлении, при этом поддерживая очень высокие уровни чистоты при удалении загрязняющих веществ из потока продукта. Данный способ особенно эффективен и обеспечивает преимущества при удалении таких загрязняющих веществ, как СО2 и/или H2S, из природного газа при высоких давлениях адсорбции (например, по меньшей мере 3,45 МПа (изб.) (500 фунт/кв.дюйм (изб.))) для создания потоков продукта очень высокой чистоты (т.е. с очень низкой концентрацией загрязняющих веществ).
Область техники
Настоящее изобретение относится к способу короткоцикловой адсорбции при переменном давлении и температуре, в котором адсорбированные газовые компоненты могут быть извлечены из слоя адсорбента при повышенных давлениях, чтобы устранить или уменьшить необходимое сжатие адсорбированных газовых компонентов для дальнейшего перемещения или обработки.
Уровень техники
Разделение газов является важным во многих отраслях промышленности и обычно его можно выполнять путем пропускания смеси газов через адсорбент, который преимущественно адсорбирует более легко адсорбируемые компоненты по сравнению с менее легко адсорбируемыми компонентами смеси. Одним из наиболее важных типов технологии разделения газов является короткоцикловая адсорбция, такая как короткоцикловая адсорбция при переменном давлении (КАПД). Способы КАПД основаны на том факте, что под давлением газы имеют тенденцию адсорбироваться внутри пористой структуры материалов микропористых адсорбентов или в свободном объеме полимерного материала. Чем выше давление, тем большее количество заданного компонента газа будет адсорбировано. Когда давление понижают, адсорбированный заданный компонент высвобождается, или десорбируется. Способы КАПД можно использовать для разделения газов газовой смеси, потому что различные газы стремятся заполнить микропоры или свободный объем адсорбента в различной степени.
Другой важной технологией разделения газов является короткоцикловая адсорбция при переменной температуре (КАПТ). Способы КАПТ также основаны на том факте, что под давлением газы имеют тенденцию адсорбироваться внутри пористой структуры материалов микропористых адсорбентов или внутри свободного объема полимерного материала. Когда температуру адсорбента увеличивают, адсорбированный газ высвобождается, или десорбируется. Посредством циклического изменения температуры слоев адсорбента способы КАПТ можно применять для разделения газов в смеси, при использовании с адсорбентом, который является селективным по отношению к одному или более компонентам в газовой смеси.
Были предложены различные способы подачи тепла в адсорбент для цикла регенерации. Эти способы включают использование микроволновой энергии (патент США № 4312641), установку электрических нагревателей внутри уплотненного слоя адсорбента в адсорбере (патент США № 4269611) и непосредственное применение электрического тока к адсорберу для электродесорбции (патент США № 4094652). Однако многие традиционные способы КАПТ имеют довольно большую продолжительность цикла, часто до 12 ч, что снижает общую адсорбционную емкость и производительность системы.
При традиционном применении КАПТ имеет ряд недостатков. Например, в способах КАПТ с непосредственным нагреванием, горячую текучую среду обычно пропускают через слой адсорбента для повышения температуры адсорбента. Чем больше рост температуры, тем больше текучей среды требуется. Таким образом, десорбированные примеси в конечном итоге оказываются диспергированными в большом объеме нагревающей текучей среды, а большое количество тепла, которое используют для повышения температуры адсорбента, часто нельзя рекуперировать. В некоторых случаях тепло не извлекают, поскольку много систем КАПТ с непосредственным нагреванием эксплуатируют с большой продолжительностью адсорбции (несколько суток) и гораздо меньшей продолжительностью регенерации. Также, нерегулярные и постепенные циклы адсорбции и регенерации приводят к колебаниям концентрации и расхода потока в оборудовании ниже по потоку, которыми трудно управлять в технологической установке с установившимся режимом работы по остальным параметрам. Неправильная или неадекватная регенерация слоев адсорбента также может значительно влиять на общую чистоту получаемых потоков продуктов в способе адсорбции. Регулирование тепла и циклическая природа способов КАПТ также влияют на общую производительность системы и чистоту продуктов.
Таким образом, в данной области техники существует потребность в способах короткоцикловой адсорбции при переменной температуре, которые могут решить, по меньшей мере, некоторые из этих проблем, а также имеющих меньшие продолжительности циклов, приводящие к более высоким производи-тельностям системы, при сохранении или повышении чистоты потока конечного получаемого продукта, особенно в отношении способов короткоцикловой адсорбции при переменной температуре.
Краткое описание изобретения
Согласно настоящему изобретению обеспечен способ отделения заданного компонента газа от газовой смеси, включающий а) направление газовой смеси, содержащей указанный заданный компонент газа, на стадию адсорбции путем введения ее со стороны подачи сырья в слой адсорбента, селективного по отношению к адсорбции указанного заданного компонента газа, причем слой адсорбента имеет сторону подачи сырья и сторону выхода продукта, и слой адсорбента эксплуатируют при первом давлении и первой температуре, при этом слой адсорбента адсорбирует указанный заданный компонент газа, а газообразный продукт, обедненный заданным компонентом газа, выходит со стороны выхода продукта из указанного слоя адсорбента; б) прекращение введения указанной газовой смеси в указанный слой адсорбента до того, как проскок указанного заданного компонента газа достигнет стороны выхода продукта из указанного слоя адсорбента; в) герметизацию стороны подачи сырья в указанный слой адсорбента; г) нагрев герметизированного слоя адсорбента до второй температуры, которая выше указанной первой
температуры, что приводит к десорбции по меньшей мере части указанного заданного компонента газа из указанного слоя адсорбента и, таким образом, приводит к увеличению давления указанного заданного компонента газа; д) извлечение по меньшей мере первой части указанного заданного компонента газа при втором давлении, которое выше давления в начале стадии нагрева (г); е) снижение давления в слое адсорбента до третьего давления, которое ниже указанного второго давления, и извлечение второй части заданного компонента газа; ж) охлаждение по меньшей мере части указанного слоя адсорбента на стороне подачи сырья до третьей температуры, которая ниже указанной второй температуры на стадии (г); з) восстановление давления в указанном слое адсорбента для следующего цикла адсорбции.
Дополнительно, следующие документы во всей их полноте включены в данное изобретение путем ссылки, поскольку они являются родственными данной заявке и их описания имеют отношение к предмету данного изобретения: заявки на патент США № 61/447806, 61/447812, 61/447824, 61/447835, 61/447848, 61/447869 и 61/447877, каждая из которых подана 1 марта 2011 г., а также семь поданных безусловных заявок на патент США с приоритетом, испрашиваемым по дате подачи этих заявок. Дополнительно, следующие документы во всей их полноте включены в данное изобретение путем ссылки, поскольку они являются родственными данной заявке и их описания имеют отношение к предмету данного изобретения: заявки на патент США № 61/448117, 61/448120, 61/448121, 61/448123 и 61/448125, каждая из которых подана 1 марта 2011 г., 61/594824, поданная 3 февраля 2012 г., и заявка, озаглавленная "Устройство и системы, содержащие блок вращающегося капана, и связанные с ними способы короткоцикло-вой адсорбции", Robert F. Tammera et al., поданная в тот же день, а также любые заявки РСТ и безусловные заявки на патент США с приоритетом, испрашиваемым по дате подачи этой заявки.
Подробное описание воплощений изобретения
Все численные значения, представленные в подробном описании и формуле изобретения, сопровождаются словами "примерно" или "приблизительно", употребляемым с указанным значением, и учитывают ошибку эксперимента и отклонения, которые может ожидать специалист в данной области техники.
Настоящее изобретение относится к способу отделения захваченных заданных веществ (например, "заданного газа" или "заданного компонента газа") от содержащей заданные вещества газовой смеси путем короткоцикловой адсорбции при переменных давлении и температуре (КАПДТ). Регенерацию слоя адсорбента можно усилить с помощью условий, делающих возможной десорбцию преимущественно адсорбируемого компонента путем увеличения температуры слоя адсорбента, например, с помощью внешних средств, при этом поддерживая достаточно высокое давление для следующего ниже по потоку технологического оборудования. Например, часто может требоваться извлечение компонентов при повышенных давлениях, например, для того, чтобы уменьшить стоимость восстановления давления для способов ниже по потоку. Такие давления могут превышать 4 МПа (40 бар) при массовых расходах потока сырья на входе, превышающих 2,83 млн станд. м3/сутки (100 млн станд. фут3/сутки).
Уровень техники для крупномасштабных установок КАПТ с ускоренным циклом значительно менее развит, чем для крупномасштабных установок КАПД. Крупномасштабные промышленные установки КАПТ обычно имеют очень медленные циклы (продолжительностью порядка примерно 10 ч) и обычно с применением внутреннего нагрева. Газ или текучая среда, используемые для нагрева адсорбционного контактора в способе короткоцикловой адсорбции при переменной температуре с внутренним нагревом, могут непосредственно контактировать с материалом адсорбента. Как таковые газ/текучая среда обычно могут проходить через те же потоковые каналы, что и подаваемый газ в течение стадии адсорбции и, таким образом, могут вступать в прямой контакт с материалом адсорбента. Предпочтительные воплощения настоящего изобретения могут включать способы адсорбции с внешним нагревом, в которых давление в слое адсорбента/контакторе также может колебаться (т.е. сочетание способов КАПД/КАПТ, также называемое КАПДТ). В способах короткоцикловой адсорбции при переменной температуре с внешним нагревом можно применять адсорбционные контакторы, имеющие отдельный набор каналов для переноса текучих сред, используемых для нагрева и охлаждения контактора. Набор каналов для пропускания охлаждающих и нагревающих текучих сред внутри контактора можно герметизировать так, чтобы можно было избежать контакта жидкостей или газов, используемых для нагрева/охлаждения контактора, с ма-териалом(ами) адсорбента, который находился в контакте с подаваемым газом.
В предпочтительном воплощении способ КАПДТ по настоящему изобретению может включать стадию адсорбции, на которой адсорбент слоя адсорбента может адсорбировать преимущественно адсорбируемые компоненты (заданные вещества) подаваемой смеси, при этом преимущественно менее адсорбируемые компоненты извлекают со стороны выхода продукта из слоя адсорбента при рабочих давлениях. Рабочее давление представляет собой давление на выходном конце контактора, и его предпочтительно можно регулировать так, чтобы оно было не более чем на 800 кПа (абс.) (8 бар (абс.)) ниже давления подачи сырья (измеренного на входе в слой адсорбента, т.е. на входном конце контактора), например, не более чем на 400 кПа (абс.) (4 бар (абс.)) ниже или не более чем на 100 кПа (абс.) (1 бар (абс.)) ниже. Стадию адсорбции по настоящему изобретению можно выполнять при первой температуре от -195 до 300°С, предпочтительно от 20 до 150°С или от 30 до 120°С. Абсолютные суммарные давления подачи сырья в течение стадии адсорбции могут составлять от 100 кПа (абс.) до 60 МПа (абс.) (от 1 до 600 бар (абс.)), например от 200 кПа (абс.) до 20 МПа (абс.) (от 2 до 200 бар (абс.)) или от 1 до 15 МПа (абс.) (от
10 до 150 бар (абс.)). Может быть предпочтительным регулирование роста температуры из-за выделения теплоты адсорбции в течение стадии адсорбции. Систему можно спроектировать таким образом, чтобы теплота адсорбции составляла от 5 до 150 кДж на 1 моль адсорбированных молекул. Одним из способов регулирования теплоты адсорбции может быть включение теплоаккумулирующего материала в слой адсорбента, чтобы уменьшить рост температуры, происходящий в течение стадии адсорбции. Рост температуры из-за выделения теплоты адсорбции можно дополнительно или альтернативно регулировать различными способами, например, путем пропускания охлаждающей текучей среды через каналы, внешние по отношению к слою адсорбента (т.е. каналы, которые используют для нагрева и охлаждения контактора).
Дополнительно или альтернативно, внешние по отношению к слою адсорбента каналы могут быть заполнены текучей средой, которая не протекает во время процесса адсорбции. В этом случае теплоемкость текучей среды может служить для сдерживания роста температуры в слое адсорбента. Можно использовать сочетание некоторых или всех этих методик регулирования тепла. Даже с использованием этих методик регулирования тепла в течение этой стадии конечная температура слоя обычно может быть немного выше, чем температура подаваемого сырья на входе. Предпочтительно степень адсорбции и охлаждение можно регулировать так, чтобы максимальный рост температуры в любой точке внутри контактора мог составлять менее 40°С, например менее 20°С, менее 10°С или менее 5°С. В течение адсорбции наиболее сильно адсорбирующиеся компоненты могут стремиться наиболее сильно прикрепиться к адсорбенту, и таким образом, могут быть наименее подвижными. Таким образом, такие наиболее сильно адсорбирующиеся компоненты могут стремиться занимать ближайшие к входу области адсорбента и могут большей частью вытеснять слабо адсорбируемые компоненты из этих областей.
За период адсорбции адсорбаты могут стремиться к самоупорядочиванию от наиболее сильных до наиболее слабых, перемещаясь от входа адсорбционных каналов контактора к выходу. В предпочтительных воплощениях скорость подаваемого газа можно выбирать так, чтобы относительно резкий фронт концентрации перемещался через контактор, т.е. так, чтобы градиент концентрации адсорбата(ов) распространялся на относительно короткое расстояние, принимая во внимание абсолютную амплитуду градиента.
Стадия адсорбции может быть остановлена в предварительно заданный момент времени перед проскоком фронта адсорбции через сторону выхода продукта из слоя адсорбента. В некоторых предпочтительных воплощениях фронт адсорбции может продвинуться по меньшей мере на 30% пути вниз по слою, например, по меньшей мере на 50% или по меньшей мере на 80%, до остановки стадии адсорбции. Дополнительно или альтернативно, стадию адсорбции можно проводить в течение фиксированного периода времени, определяемого расходом подаваемого потока и емкостью адсорбента. Кроме того, дополнительно или альтернативно, стадию адсорбции можно проводить в течение периода времени менее 600 с, предпочтительно менее 120 с, например менее 40 с или менее 10 с. В некоторых случаях можно допустить проскок фронта адсорбции через выходной конец только в течение короткого периода времени (например, не более нескольких секунд), но обычно предпочтительно не допускать проскока фронта адсорбции, что может максимально увеличить использование слоя.
Термин "проскок" в настоящем документе определяют как момент, в который содержание загрязняющего компонента в получаемом газе, покидающем слой адсорбента, превышает целевые технические требования. В момент проскока слой адсорбента можно считать "отработанным", так что любая значительная дальнейшая работа только через отработанный слой адсорбента приводит к получаемому газу, не соответствующему техническим требованиям. Используемый в настоящем документе термин "проскок" может в общем совпадать с термином "фронт адсорбции", т.е. в то время, когда на выходе из слоя адсорбента обнаруживают проскок, фронт адсорбции обычно находится на конце слоя адсорбента.
После стадии адсорбции в каналах для подачи газа в контакторе можно, при необходимости, понизить давление до такого давления, при котором происходит десорбция менее 40% молекул, адсорбированных в контакторе (например, менее 20 или менее 10%). Это давление обычно может быть больше суммы летучестей селективно адсорбируемых веществ в сырье.
Сторону подачи сырья в слой адсорбента затем можно герметизировать по отношению к прохождению газа, и тепло можно подавать в слой адсорбента от внешнего источника. Под "внешним нагревом" понимают, что тепло не подают непосредственно в слой адсорбента через потоковые каналы, по которым протекала подаваемая газовая смесь, и в которых будет происходить десорбция заданного компонента газа. Тепло предпочтительно можно подавать в слой адсорбента через множество нагревающих/охлаждающих каналов, находящихся в тепловом контакте, но не находящихся в сообщении по потоку с потоковыми каналами для подаваемого газа в адсорбенте. Слой адсорбента можно внешне нагревать в прямотоке или в противотоке вдоль его длины по отношению к потоку подаваемой газовой смеси, или в сочетании стадий нагрева в прямотоке и в противотоке. Потоковые каналы, которые предназначены для протекания нагревающей и охлаждающей текучей среды, могут предпочтительно находиться в физическом контакте со слоем адсорбента для увеличения теплопереноса. Слой адсорбента можно нагреть до второй температуры, более высокой, чем первая температура, используемая в течение стадии адсорбции, при этом вторая температура предпочтительно по меньшей мере на 10°С выше первой темпе
ратуры, например, по меньшей мере на 20°С выше, по меньшей мере на 40°С выше или по меньшей мере на 90°С выше; дополнительно или альтернативно вторая температура может составлять от 10 до 300°С, например от 20 до 200°С или от 40 до 120°С.
В течение стадии нагрева давление газа в канале может возрастать. Чтобы улучшить регенерацию на стороне выхода продукта из слоя в течение стадии нагрева слой преимущественно можно медленно продувать чистым газом, например, чистым получаемым газом, от чистого конца (стороны выхода продукта) слоя адсорбента до точки извлечения продукта. Продувочный газ можно вводить под давлением, которое выше давления в слое адсорбента.
Может быть предпочтительным, чтобы общее число молей введенного продувочного газа было меньше числа молей адсорбированных в контакторе молекул, например, составляло менее 25% или менее 10% от числа молей адсорбированных молекул. Путем предотвращения проскока фронта адсорбции, сторону выхода продукта из слоя можно поддерживать по существу свободной от сильно адсорбируемых веществ, и она может преимущественно содержать главным образом получаемые вещества. По изотермам адсорбции для адсорбированного заданного компонента можно определить парциальное давление преимущественно адсорбируемого компонента в состоянии равновесия для новой величины адсорбции при более высокой температуре. Это парциальное давление в некоторых случаях может превышать давление подачи сырья на 40 или на 70% или больше. Дополнительно или альтернативно по отношению к извлеченной теплоте может потребоваться небольшое количество дополнительного тепла для нагрева слоя до заранее заданной конечной температуры. Изотерма может описать величину адсорбции (ммоль адсорбированного вещества на грамм адсорбента) как для процесса хемосорбции, так и для процесса физической адсорбции. Не ограничиваясь какой-либо теорией, настоящее изобретение может быть эффективным из-за уменьшения величины адсорбции (т.е. ммоль/грамм) с увеличением температуры.
Внешний нагрев можно проводить так, чтобы использовать тепловую волну для прохождения тепла через контактор, по мере его перехода от стадии адсорбции к стадии регенерации, при переходе от регенерации к стадии адсорбции, по меньшей мере на части стадии регенерации и/или по меньшей мере на части стадии адсорбции. Аналогично, может быть предпочтительным использование тепловой волны на стадии охлаждения. Использование тепловой волны в короткоцикловой адсорбции при переменной температуре описано подробно в заявке на патент США № 2008/0314245, которая включена в данный документ посредством ссылки. Тепловая волна представляет собой относительно резкий градиент температуры, или фронт, который может перемещаться линейно (т.е. приблизительно в одном направлении внутри контактора) в течение по меньшей мере одной стадии в цикле адсорбции/десорбции при переменной температуре. Скорость, с которой может перемещаться тепловой фронт (т.е. область с резким градиентом температуры), называют скоростью тепловой волны. Скорость тепловой волны не обязательно должна быть постоянной, а направление тепловой волны не обязательно должно быть одинаковым как на стадии адсорбции, так и на стадии регенерации. Например, тепловая волна может перемещаться в прямотоке, в противотоке или в поперечном потоке на стадиях адсорбции и/или регенерации. Также можно разработать способ, в котором отсутствует значительная тепловая волна на стадии адсорбции, в то время как на стадии регенерации присутствует значительная тепловая волна. Присутствие тепловой волны по меньшей мере в некоторой части цикла адсорбции/регенерации при переменной температуре может давать возможность системе в целом достигнуть цели существенной рекуперации и извлечения тепла, требуемого для слоя адсорбента при проведении адсорбции при переменной температуре. Это, в свою очередь, может повысить эффективность способа и/или может обеспечить возможность использования высоких температур десорбции, которые в обычном случае не могли быть использованы при проведении адсорбции при переменной температуре.
В предпочтительном воплощении настоящего изобретения контактор объединен с адсорбентом с получением теплообменной конструкции таким образом, что можно создать тепловую волну. При адсорбции с тепловой волной (АТВ) адсорбент может быть помещен в один ряд теплообменных каналов, тогда как другой ряд каналов может быть использован для подачи тепла в адсорбирующее устройство и/или для отвода тепла из него. Текучие среды и/или газы, протекающие в адсорбенте и нагревающих/охлаждающих каналах, обычно не контактируют друг с другом. Предпочтительно, каналы для подачи/отвода тепла могут быть сконструированы и эксплуатироваться таким способом, который приводит к относительно резкой тепловой волне как в адсорбенте, так и в нагревающей и охлаждающей текучих средах в течение стадий нагревания и охлаждения в цикле. Примером контактора, который может обеспечить относительно резкую тепловую волну, является контактор согласно настоящему изобретению.
Тепловые волны в таких контакторах можно создавать, когда нагревающие и охлаждающие текучие среды протекают в прямотоке или противотоке относительно направления подаваемого потока на стадии адсорбции. Во многих случаях может быть предпочтительно не обеспечивать значительный поток нагревающей или охлаждающей текучей среды в течение стадии адсорбции. Более полное описание адсорбции с тепловой волной (АТВ) и других подходящих конструкций контактора можно найти, например, в патенте США № 7938886, включенном в данный документ посредством ссылки. В процитированном патенте показано, как сконструировать и эксплуатировать контактор для регулирования резкости и природы тепловой волны. Ключевой рабочий параметр может включать скорость текучей среды в контакто
ре. Ключевые конструктивные параметры могут включать массу контактора, а также теплоемкость и теплопроводность материалов, используемых для образования контактора, и теплообменной текучей среды. Дополнительным ключевым проектным параметром для контактора может быть нахождение одного или более путей снижения/минимизации расстояния, на которое необходимо переносить тепло; это является причиной того, что относительно резкие тепловые волны могут быть столь желательными.
В предпочтительном воплощении, в течение стадии нагрева объем текучей среды при температуре, не более чем на 10°С превышающей температуру конца контактора, через который ее выпускают, может составлять по меньшей мере 25% (например, по меньшей мере 50% или по меньшей мере 75%) от объема текучей среды, введенной в контактор для нагревания. Аналогичным образом, когда настоящее изобретение эксплуатируют с достижением тепловой волны, может быть предпочтительным, чтобы в течение стадии охлаждения холодная текучая среда (такая как вода под давлением) могла протекать в контактор, а горячая текучая среда при температуре, близкой к температуре контактора в конце стадии извлечения, могла вытекать из контактора. Большая часть стадии извлечения обычно может протекать после того, как контактор нагрет. Таким образом, альтернативно или дополнительно, в течение стадии охлаждения объем текучей среды при температуре, которая не более чем на 10°С ниже, чем температура конца контактора, из которого она вытекает, может составлять по меньшей мере 25% (например, по меньшей мере 50% или по меньшей мере 75%) от объема текучей среды, введенной в контактор для охлаждения.
Одним путем эффективного использования тепловых волн в аппаратах согласно настоящему изобретению является использование для извлечения тепла. Извлеченную энергию можно использовать для снижения энергозатрат при нагревании и охлаждении контактора, для другого контактора из множества контакторов, требуемых для непрерывного процесса, и/или для какой-либо другой цели. Более конкретно, энергию, содержащуюся в горячем потоке, выходящем из контактора в течение стадии охлаждения, можно использовать для снижения количества энергии, которую необходимо подавать в течение стадии нагрева. Аналогичным образом, холодный поток, выходящий из контактора в течение стадии нагрева, можно использовать для снижения количества энергии, которую необходимо подавать в охлаждающую текучую среду, предназначенную для подачи в контактор в течение стадии охлаждения. Существует много способов рекуперации энергии. Например, горячую термальную жидкость, вытекающую из одного контактора, можно направлять в другой с распределением нагревания между ними, и/или охлаждающую текучую среду, вытекающую из одного контактора, можно направлять в другой с распределением охлаждения между ними. Путь потока термальной жидкости между контакторами может определяться клапанами, синхронизированными для направления термальной жидкости между контакторами в подходящие моменты по всему циклу адсорбции. В воплощениях, в которых термальная жидкость протекает между контакторами, она также может проходить через теплообменник, который вносит или отводит тепло от протекающей термальной жидкости, и/или может проходить через такое устройство, как компрессор, насос и/или нагнетатель, который повышает ее давление, чтобы она могла протекать через контакторы с требуемой скоростью. Теплоаккумулирующая среда может быть сконструирована так, что энергию тепловой волны, перемещающейся через один контактор, можно сохранять. Неограничивающий пример представляет собой систему резервуаров, где отдельно хранят горячую и холодную текучие среды, каждую из которых можно подавать обратно в контактор, из которого она выпущена, и/или в другой контактор. Во многих воплощениях поток термальной жидкости через контактор может быть обеспечен так, чтобы минимизировать перемешивание текучей среды в направлении основного потока текучей среды через контактор и минимизировать влияние теплопроводности текучей среды на резкость тепловой волны.
В случае извлечения энергии, может быть предпочтительным использование извлеченной энергии для снижения количества физического тепла, которое необходимо подавать для нагревания и охлаждения контактора. Физическое тепло определяется теплоемкостью и ростом (или падением) температуры контактора. В некоторых предпочтительных воплощениях компенсируют по меньшей мере 60% (например, по меньшей мере 80% или по меньшей мере 95%) физического тепла, требуемого для нагревания контактора, и/или компенсируют меньшей мере 60% (например, по меньшей мере 80% или по меньшей мере 95%) физического тепла, требуемого для охлаждения контактора.
Этот внешний нагрев частично герметизированного слоя адсорбента приводит к десорбции по меньшей мере части заданных веществ из слоя адсорбента. Это также приводит к увеличению давления получающегося потока компонентов заданных веществ, что является желательным для целей настоящего изобретения. По меньшей мере часть десорбированных компонентов заданных веществ предпочтительно извлекают при давлениях, превышающих давление в начале стадии нагрева. Т.е. извлечение заданного газа предпочтительно происходит к концу стадии нагрева с минимальным понижением давления или без понижения давления в слое адсорбента. Предпочтительно, чтобы давление было по меньшей мере на 200 кПа (2 бара), более предпочтительно по меньшей мере на 500 кПа (5 бар) выше давления в начале стадии нагрева.
Затем давление в слое адсорбента снижают, предпочтительно в ходе ряда стадий сброса давления в прямотоке или в противотоке, которые можно осуществлять в присутствии или отсутствии потока продувочного газа, до конечного давления извлечения заданного газа. Снижение давления обычно происхо
дит менее чем за 8 стадий, предпочтительно, менее чем за 4 стадии, причем на каждой стадии извлекают заданные вещества. В одном предпочтительном воплощении давление снижают приблизительно в три раза на каждой стадии. Также предпочтительно, чтобы снижение давления проводили в противотоке и в течение стадии снижения давления пропускали продувочный газ в противотоке (от стороны выхода продукта к стороне подачи сырья) через слой адсорбента. Также предпочтительно, чтобы продувочный газ представлял собой так называемый "чистый газ". Под "чистым газом" понимают газ, который, по существу, не содержит компонентов заданного газа. Например, если заданный газ представляет собой кислый газ, то чистый газ представляет собой поток, по существу не содержащий кислых газов, таких как H2S и СО2. В предпочтительном воплощении чистый газ содержит менее 5 мол.% H2S и СО2 в сумме, еще более предпочтительно менее 1 мол.% H2S и СО2 в сумме. Одним из примеров предпочтительного чистого газа может являться получаемый газ как таковой. Когда настоящее изобретение используют для удаления кислого газа из потока природного газа, в одном предпочтительном воплощении "чистый газ" состоит из по меньшей мере одного из получаемых углеводородных потоков, в другом предпочтительном воплощении состоит из С3- углеводородов, а в наиболее предпочтительном воплощении состоит из метана. В других предпочтительных воплощениях можно использовать отдельный "чистый газ". В одном из этих воплощений "чистый газ" состоит из азота.
В предпочтительном воплощении на любой стадии, отличной от стадии адсорбции, чистый газ пропускают противотоком через слой адсорбента, для обеспечения того, чтобы конец слоя, по существу, не содержал заданных веществ. В более предпочтительном воплощении чистый газ пропускают противотоком через слой адсорбента по меньшей мере на части стадий десорбции. В течение этой стадии (стадий) предпочтительным является эффективный расход протекающего противотоком чистого газа, достаточный для преодоления масс-диффузий, чтобы обеспечить поддержание стороны выхода продукта из слоя по существу свободной от заданных веществ.
После извлечения заданного газа можно охладить слой адсорбента и восстановить давление в нем. Обычно может быть предпочтительным охлаждение слоя перед восстановлением давления в нем. Слой адсорбента можно охладить, предпочтительно до температуры, которая не более чем на 40°С выше температуры подаваемой газовой смеси, например, выше не более чем на 20°С или выше не более чем на 10°С. Дополнительно или альтернативно, слой адсорбента можно охлаждать путем внешнего охлаждения прямоточным или противоточным образом, так что тепловая волна может проходить через слой. В некоторых таких воплощениях может быть предпочтительным охлаждение первой части слоя адсорбента перед восстановлением давления в нем. В некоторых из таких воплощений можно охлаждать менее 90% длины слоя адсорбента, например менее 50%. Слой адсорбента можно дополнительно или альтернативно продувать чистым газом в течение охлаждения.
Относительно резкие тепловые волны, как используемые здесь, могут быть выражены в показателях стандартной разности температур на расстоянии относительно длины потока массо/теплопереноса в аппарате. По отношению к массо/теплопереносу, можно определить максимальную температуру Тмакс и минимальную температуру Тмин, а также близкие температуры, приблизительно на 10% выше Тмин (Т10) и приблизительно на 10% ниже Тмакс (Т90). Тепловые волны можно считать относительно резкими, когда по меньшей мере разность температур (Т90-Т10) имеет место на расстоянии не более 50% (например, не более 40%, не более 30% или не более 25%) длины аппарата, который участвует в массо/теплопереносе. Дополнительно или альтернативно, относительно резкие тепловые волны можно выразить в показателях максимального числа Пекле, Ре, определяемого для сравнения осевой скорости нагревающей/охлаждающей текучей среды с диффузионной теплопередачей в направлении, приблизительно перпендикулярном направлению потока текучей среды. Число Пекле, Ре, можно определить как (UxL)/a, где U представляет собой скорость нагревающей/охлаждающей текучей среды (в м/с), L представляет собой характеристическое расстояние, на которое переносят тепло (для нагрева/охлаждения адсорбента) в направлении, приблизительно перпендикулярном потоку текучей среды, а представляет собой эффективный коэффициент термодиффузии контактора (в м2/с) на расстоянии L. Дополнительно или альтернативно разности температур по длине, тепловые волны можно считать относительно резкими, когда Ре составляет менее 10, например менее 1 или менее 0,1. Для минимизации времени нагревания/охлаждения контактора с небольшим повреждением потокового канала или при отсутствии повреждения потокового канала, может быть предпочтительно, чтобы U составляла от приблизительно 0,01 м/с до приблизительно 100 м/с, например от приблизительно 0,1 м/с до приблизительно 50 м/с или от приблизительно 1 м/с до приблизительно 40 м/с. Дополнительно или альтернативно, для минимизации требований по размерам и энергозатратам, может быть предпочтительно, чтобы L составляло менее 0,1 м, например менее 0,01 м или менее 0,001 м.
В слое адсорбента затем можно восстановить давление в течение и/или после стадии охлаждения, например, используя чистый получаемый газ или в противотоке с помощью продувочного газа из другого слоя после первой стадии восстановления давления. Конечное давление на стадии восстановления давления предпочтительно может быть, по существу, равно давлению входящей подаваемой газовой смеси.
В некоторых воплощениях слой адсорбента может предпочтительно находиться в форме открытых потоковых каналов, например, контакторов с параллельными каналами, в которых большую часть объема открытых пор составляют микропоры, например, где менее 40%, более предпочтительно, менее 20%, например, менее 15% или менее 10% объема открытых пор может быть образовано порами диаметром более 20А (и менее приблизительно 1 мкм; т.е. мезопорами и макропорами). Потоковый канал описан здесь как часть контактора, в которой протекает газ, если обеспечен стационарный перепад давлений между точкой/местом, где поток сырья поступает в контактор, и точкой/местом, где поток продукта покидает контактор. Под "объемом открытых пор" здесь понимают все незанятое пространство открытых пор в объеме, охватываемом материалом адсорбента. Объем открытых пор включает все открытые пространства в объеме, охватываемом материалом адсорбента, включая (но не ограничиваясь перечисленным) все объемы внутри материалов адсорбента как таковых, включая объем пор структурированных или аморфных материалов, а также любые промежуточные открытые объемы в пределах структуры части слоя, содержащей материал адсорбента. Объем открытых пор, как используют здесь, не включает пространства, не связанные с материалом адсорбента, такие как открытые объемы в сосуде для входа, выхода или распределения газов (такие как сопла или области распределителя), открытые потоковые каналы и/или объемы, занимаемые материалами наполнителя и/или твердыми материалами для поглощения теплоты адсорбции. "Контакторы с параллельными каналами" определены здесь как подгруппа адсорбционных контакторов, включающих структурированные (сконструированные) адсорбенты, в которых по существу параллельные потоковые каналы включены в структуру адсорбента (обычно адсорбенты могут быть встроены на/в стенки таких потоковых каналов). Неограничивающие примеры геометрических форм контакторов с параллельными каналами могут включать монолитные конструкции различной формы, содержащие множество по существу параллельных каналов, проходящих от одного конца монолитной конструкции до другого; множество трубчатых элементов; расположенные друг над другом слои листов адсорбента с промежутками или без промежутков между листами; многослойные спиральные рулоны; спирально намотанные листы адсорбента; пучки полых волокон, а также пучки по существу параллельных монолитных волокон, и их сочетания. Параллельные потоковые каналы описаны подробно, например, в заявках на патент США № 2008/0282892 и 2008/0282886; оба указанных документа включены в данную заявку посредством ссылки. Эти потоковые каналы можно сформировать различными способами, и помимо материалов адсорбента, конструкция адсорбционного контактора может содержать такие компоненты, как (но не ограничиваясь перечисленным) материалы-подложки, теплоотво-дящие материалы, уменьшающие пустоты компоненты и нагревающие/охлаждающие каналы.
При реализации настоящего изобретения может быть желательно эксплуатировать множество блоков контакторов, некоторые из которых совместно работают на стадии нагрева/охлаждения, а другие вовлечены в адсорбцию (и/или десорбцию). При такой эксплуатации контактор можно существенно охладить посредством циркулирующей теплопередающей среды перед переключением его на выполнение адсорбции. Одним из преимуществ такой эксплуатации может быть то, что тепловую энергию, используемую для переключения слоя, удерживают в теплопередающей среде. Если бы адсорбцию осуществляли одновременно с охлаждением, тогда существенная часть теплоты в слое была бы потеряна на не содержащий адсорбата подаваемый материал, и большее количество тепла могло бы потребоваться для восстановления высокой температуры теплопередающей среды.
Примеры материалов адсорбента, которые можно использовать, включают (но не ограничены перечисленным) оксид алюминия с высокой площадью поверхности (более приблизительно 10 м2/г, предпочтительно более приблизительно 75 м2/г), микропористые цеолиты (предпочтительно с размерами частиц менее приблизительно 1 мм), другие микропористые материалы, мезопористые материалы, упорядоченные мезопористые материалы и т.п., и их сочетания. Неограничивающие примеры этих материалов могут включать углерод, катионные цеолиты, цеолиты с высоким содержанием диоксида кремния, высококремнистые упорядоченные мезопористые материалы, материалы, полученные по золь-гель технологии, ALPO материалы (микропористые и/или мезопористые материалы, содержащие преимущественно алюминий, фосфор и кислород), SAPO материалы (микропористые и/или мезопористые материалы, содержащие преимущественно кремний, алюминий, фосфор и кислород), MOF материалы (микропористые и/или мезопористые материалы, состоящие из металлорганической каркасной структуры), ZIF материалы (микропористые и/или мезопористые материалы, состоящие из цеолитных имидазолатных каркасных структур), микропористые и/или мезопористые сорбенты, функционализованные функциональными группами (например, включающие первичные, вторичные и третичные амины, другие не протогенные основные группы, такие как амидины, гуанидины, бигуаниды и т.п., а также их сочетания), и их сочетания и взаимопроросшие структуры. Для адсорбции и удаления кислых газов, таких как сероводород и диоксид углерода, обычно встречающихся в потоках природного газа, можно преимущественно использовать такие адсорбенты, как катионные цеолиты, функционализованные аминами мезопористые материалы, станносиликаты и углерод.
В предпочтительных применениях настоящих контакторов можно удалять СО2 из природного газа в способе короткоцикловой адсорбции. Здесь может быть предпочтительным включение в состав адсорбента особого класса цеолитовых материалов с восьмичленными кольцами, которые обладают кинетиче
ской селективностью, хотя адсорбция на основе равновесия может быть альтернативным вариантом. Кинетическая селективность этого класса цеолитовых материалов с восьмичленными кольцами может обеспечить возможность быстрого пропускания СО2 внутрь кристаллов цеолита, при этом препятствуя пропусканию метана, так что возможно селективно отделять СО2 от смеси СО2 и метана. Для удаления СО2 из природного газа этот особый класс цеолитовых материалов с восьмичленными кольцами может иметь отношение Si/Al более приблизительно 250, например, более приблизительно 500, более приблизительно 1000, от приблизительно 2 до приблизительно 1000, от приблизительно 10 до приблизительно 500 или от приблизительно 50 до приблизительно 300. Используемое здесь отношение Si/Al определяют как молярное отношение диоксида кремния к оксиду алюминия в цеолитовой структуре. Этот класс цеолитов с восьмичленными кольцами может обеспечить возможность доступа СО2 во внутреннюю пористую структуру через окна, сформированные восьмичленными кольцами, таким образом, что отношение коэффициентов однокомпонентной диффузии для СО2 и для метана (т.е. DCO2/DCH4) может составлять более 10, предпочтительно более приблизительно 50, более приблизительно 100 или более приблизительно 200.
Дополнительно или альтернативно, во многих случаях может быть желательно удалять азот из природного газа или попутного газа добычи нефти, чтобы получить высокую степень извлечения очищенного метанового продукта из азотсодержащего газа. Существует очень мало молекулярно-ситовых сорбентов со значительной равновесной или кинетической селективностью для отделения азота от метана. Для отделения N2 от природного газа, так же как и в случае СО2, может быть предпочтительным включение в состав адсорбента класса цеолитовых материалов с восьмичленными кольцами, которые обладают кинетической селективностью. Кинетическая селективность этого класса цеолитовых материалов с восьми-членными кольцами может обеспечивать возможность быстрого пропускания N2 внутрь кристаллов цеолита, при этом препятствуя пропусканию метана, так что возможно селективно отделять N2 от смеси N2 и метана. Для удаления N2 из природного газа этот особый класс цеолитовых материалов с восьмичленны-ми кольцами может иметь отношение Si/Al от приблизительно 2 до приблизительно 1000, например, от приблизительно 10 до приблизительно 500 или от приблизительно 50 до приблизительно 300. Этот класс цеолитов с восьмичленными кольцами может обеспечить возможность доступа N2 во внутреннюю пористую структуру через окна, сформированные восьмичленными кольцами, таким образом, что отношение коэффициентов однокомпонентной диффузии для N2 и для метана (т.е. DN2/DCH4) может составлять более 5, предпочтительно, более приблизительно 20, более приблизительно 50 или более приблизительно 100. Стойкость к засорению в способах короткоцикловой адсорбции в течение удаления N2 из природного газа может является одним из преимуществ, предоставляемых этим классом цеолитовых материалов с восьмичленными кольцами.
Дополнительно или альтернативно по отношению к СО2, может быть желательно удалять H2S из природного газа, который может содержать от приблизительно 0,001 об.% H2S до приблизительно 70 об.% H2S (например, от приблизительно 0,001 об.% до приблизительно 30 об.%, от приблизительно 0,001 об.% до приблизительно 10 об.%, от приблизительно 0,001 об.% до приблизительно 5 об.%, от приблизительно 0,001 об.% до приблизительно 1 об.%, от приблизительно 0,001 об.% до приблизительно 0,5 об.% или от приблизительно 0,001 об.% до приблизительно 0,1 об.%). В некоторых применениях может быть желательно удалять H2S до уровня концентраций порядка нескольких частей на миллион или частей на миллиард.
В некоторых предпочтительных воплощениях способ короткоцикловой адсорбции можно ускорить; в этом случае способ по настоящему изобретению называют ускоренной короткоцикловой адсорбцией при переменных давлении и температуре (УКАПДТ). Полное время цикла преимущественно может составлять менее 2400 с, предпочтительно менее 600 с, например менее 120 с или менее 60 с. В противоположность этому, время цикла традиционного способа КАПДТ обычно составляет от 60 до 1200 мин.
Описанные выше способы, аппараты и системы для адсорбционного кинетического разделения пригодны для применения при разработке и добыче углеводородов, например, для переработки нефти и газа. В частности, предложенные способы, аппараты и системы могут быть пригодны для быстрого, крупномасштабного, эффективного отделения множества заданных газов от газовых смесей.
Предложенные способы, аппараты и системы можно использовать для приготовления продуктов из природного газа путем удаления загрязняющих примесей. Предложенные способы, аппараты и системы могут быть пригодны для получения газообразных сырьевых потоков для использования во вспомогательных процессах, включающих такие применения разделения, как регулирование влажности по точке росы, обессеривание/удаление токсичных веществ, защита от коррозии/борьба с коррозией, обезвоживание, повышение теплотворной способности, кондиционирование и очистка. Примеры вспомогательных процессов, в которых используют одно или более применений разделения, могут включать образование топливного газа, уплотнительного газа, непитьевой воды, газа защитного слоя, газа для систем контроля и управления, хладагента, инертного газа и извлечение углеводородов. Типичные технические условия для "не превышающего нормы" (или "целевого") продукта, получаемого при удалении кислых газов, могут включать: (а) 2 об.% СО2, 4 части/млн H2S; (б) 50 частей/млн СО2, 4 части/млн H2S или (в) 1,5 об.% СО2, 2 части/млн H2S.
Предложенные способы, аппараты и системы можно использовать для удаления кислых газов из потоков углеводородов. Технология удаления кислых газов приобретает все большее значение, поскольку оставшиеся запасы газа имеют более высокую концентрацию кислых (серосодержащих) газов. Исходные потоки углеводородов могут содержать кислые газы в широком диапазоне, например, от нескольких частей на миллион до 90 об.%. Неограничивающие примеры концентраций кислых газов из типичных запасов газа могут включать концентрации, по меньшей мере, (а) 1 об.% H2S, 5 об.% СО2; (б) 1 об.% H2S, 15 об.% СО2; (в) 1 об.% H2S, 60 об.% СО2; (г) 15 об.% H2S, 15 об.% СО2 или (д) 15 об.% H2S, 30 об.% СО2.
Одну или более из следующих мер можно использовать с предложенными здесь способами, аппаратами и системами для получения требуемого потока продукта, при сохранении относительно высокой степени извлечения углеводородов:
а) использование одного или более способов кинетической короткоцикловой адсорбции, таких как
короткоцикловая адсорбция при переменном давлении (КАПД), короткоцикловая адсорбция при пере-
менной температуре (КАПТ) и короткоцикловая адсорбция при переменном парциальном давлении или с
вытеснением продувкой (КАППД), включая сочетание этих способов; каждый из указанных способов
короткоцикловой адсорбции можно использовать с быстрыми циклами, например, с использованием од-
ной или более установок ускоренной короткоцикловой адсорбции при переменном давлении (УКАПД),
одной или более установок ускоренной короткоцикловой адсорбции при переменной температуре
(УКАПТ) или одной или более установок ускоренной короткоцикловой адсорбции при переменном пар-
циальном давлении (УКАППД); примеры способов кинетической короткоцикловой адсорбции описаны в
заявках на патент США № 2008/0282892, 2008/0282887, 2008/0282886, 2008/0282885 и 2008/0282884, каждая из которых во всей своей полноте включена в настоящий документ посредством ссылки;
б) удаление кислого газа посредством УКАПТ с использованием усовершенствованных циклов и
продувок, как описано в предварительной заявке на патент США № 61/447858, поданной 1 марта 2011 г.,
а также в заявке на патент США с регистрационным номером 2011EM060-US2, испрашивающей приори-
тет по дате вышеуказанной заявки, каждая из которых во всей своей полноте включена в настоящий до-
кумент посредством ссылки;
в) использование мезопористого наполнителя для снижения количества захваченного адсорбентом
метана и увеличения общего извлечения углеводородов, как описано в заявках на патент США №
2008/0282892, 2008/0282885 и 2008/0282886, каждая из которых во всей своей полноте включена в настоящий документ посредством ссылки;
г) выбор подходящего материала адсорбента для обеспечения высокой селективности и сниже-
ния/минимизации адсорбции (и потерь) метана и других углеводородов, такого как один или более цео-
литов, описанных в заявках на патент США № 2008/0282887 и 2009/0211441, каждая из которых во всей
своей полноте включена в настоящий документ посредством ссылки;
д) снижение давления в одной или более установок УКАПТ за несколько стадий до промежуточных
давлений так, что выпускаемый кислый газ можно улавливать при более высоком среднем давлении, тем
самым снижая сжатие, требуемое для ввода кислого газа; уровни давления на промежуточных стадиях
снижения давления могут быть приведены в соответствие с давлениями между ступенями компрессора
для кислого газа, чтобы оптимизировать систему сжатия в целом;
е) использование выпускаемых или рециркулируемых потоков для минимизации переработки и по-
терь углеводородов, например, использование выпускаемых потоков из одной или более установок
УКАПТ в качестве топливного газа вместо повторного введения или выпуска;
ж) использование множества материалов адсорбента в одном слое для удаления следовых коли-
честв первых загрязняющих веществ, таких как H2S, перед удалением второго загрязняющего вещества,
такого как СО2; такие сегментированные слои могут обеспечить тщательное удаление кислых газов,
вплоть до уровня частей на миллион, с помощью установок УКАПТ с минимальными расходами продув-
ки;
з) использование сжатия подаваемого сырья перед одной или более установок УКАПТ для дости-
жения требуемой чистоты продукта;
и) одновременное удаление загрязняющих веществ, отличных от кислых газов, таких как меркапта-
ны, COS и любые ароматические углеводороды, такие как бензол, толуол, этилбензол, ксилол; выбор
способов и материалов для выполнения этого;
к) использование структурированных адсорбентов для контакторов газа и твердой фазы, чтобы минимизировать падение давления по сравнению с традиционными уплотненными слоями;
л) выбор времени цикла и стадий цикла на основе кинетики материала адсорбента и
м) использование способа и аппарата, в котором применяют, помимо другого оборудования, две последовательно соединенные установки УКАПТ, где первая установка УКАПТ обеспечивает очистку подаваемого потока до требуемой чистоты продукта, а вторая установка УКАПТ обеспечивает очистку потока, выпускаемого из первой установки, для улавливания метана и поддержания высокой степени извлечения углеводородов; использование этой последовательной конструкции может снизить потребность в мезопористом наполнителе.
Предложенные в настоящем документе способы, аппараты и системы могут быть пригодны для
применения на крупных установках для обработки газа, например, таких установках, которые перерабатывают более 141584 станд. м3 в сутки (более 5 млн станд. кубических футов в сутки (млн станд. фут3/сутки)) природного газа, например более 424753 станд. м3/сутки (15 млн станд. фут3/сутки), более 707921 станд. м3/сутки (25 млн станд. фут3/сутки), более 1415842 станд. м3/сутки (50 млн станд. фут3/сутки), более 2831685 станд. м3/сутки (100 млн станд. фут3/сутки), более 14158423 станд. м3/сутки (500 млн станд. фут3/сутки), более 28,32 млн станд. м3/сутки (более 1 миллиарда станд. кубических футов в сутки (млрд станд. фут3/сутки)) или более 56,64 млн станд. м3/сутки (более 2 млрд станд. фут3/сутки).
По сравнению с традиционной технологией предложенные способы, аппараты и системы могут требовать меньше капитальных вложений, меньше эксплуатационных расходов и/или меньше физического пространства, тем самым обеспечивая возможность ввода в эксплуатацию производственных площадок на расстоянии от берега и в отдаленных районах, например, в арктических внешних условиях. Предложенные способы, аппараты и системы могут обеспечить описанные выше преимущества, при этом обеспечивая высокую степень извлечения углеводородов по сравнению с традиционной технологией.
Дополнительно или альтернативно, изобретение может включать одно или более из следующих воплощений.
Воплощение 1. Способ отделения заданного компонента газа от газовой смеси, включающий а) направление газовой смеси, содержащей указанный заданный компонент газа, на стадию адсорбции путем введения ее со стороны подачи сырья в слой адсорбента, селективного по отношению к адсорбции указанного заданного компонента газа, причем слой адсорбента имеет сторону подачи сырья и сторону выхода продукта, и слой адсорбента эксплуатируют при первом давлении и первой температуре, при этом слой адсорбента адсорбирует указанный заданный компонент газа, а газообразный продукт, обедненный заданным компонентом газа, выходит со стороны выхода продукта из указанного слоя адсорбента; б) прекращение введения указанной газовой смеси в указанный слой адсорбента до того, как проскок указанного заданного компонента газа достигнет стороны выхода продукта из указанного слоя адсорбента; в) герметизацию стороны подачи сырья в указанный слой адсорбента; г) нагрев герметизированного слоя адсорбента до второй температуры, которая выше указанной первой температуры, что приводит к десорбции по меньшей мере части указанного заданного компонента газа из указанного слоя адсорбента и, таким образом, приводит к увеличению давления указанного заданного компонента газа; д) извлечение по меньшей мере первой части указанного заданного компонента газа при втором давлении, которое выше давления в начале стадии нагрева (г); е) снижение давления в слое адсорбента до третьего давления, которое ниже указанного второго давления, и извлечение второй части заданного компонента газа; ж) охлаждение по меньшей мере части указанного слоя адсорбента на стороне подачи сырья до третьей температуры, которая ниже указанной второй температуры на стадии (г); з) восстановление давления в указанном слое адсорбента для следующего цикла адсорбции.
Воплощение 2. Способ по воплощению 1, в котором давление в слое адсорбента понижают в противотоке перед стадией (в) до давления, которое меньше первого давления.
Воплощение 3. Способ по воплощению 1 или воплощению 2, в котором выполняется одно или более из следующих условий: первая температура составляет от -195 до 300°С (например, от 20 до 150°С), первое давление составляет от 100 кПа (абс.) до 60 МПа (абс.) (от 1 до 600 бар (абс.)) (например, от 200 кПа (абс.) до 20 МПа (абс.) (от 2 до 200 бар (абс.))), вторая температура составляет от 10 до 300°С (например, от 20 до 200°С), третья температура составляет от -195 до 300°С, а газовая смесь представляет собой поток природного газа.
Воплощение 4. Способ по любому из предыдущих воплощений, в котором заданный компонент газа выбирают из группы, состоящей из СО2, H2S и их сочетания.
Воплощение 5. Способ по воплощению 4, в котором заданное вещество включает H2S, причем сторона выхода продукта из указанного слоя адсорбента содержит H2S в количестве не более 4 об. частей на млн (об.ч./млн), а подаваемая газовая смесь содержит H2S в количестве от 6 до 10000 об.ч./млн.
Воплощение 6. Способ по любому из предыдущих воплощений, в котором слой адсорбента включает открытые потоковые каналы по всей своей длине, через которые пропускают газовую смесь, и/или представляет собой контактор с параллельными каналами.
Воплощение 7. Способ по любому из предыдущих воплощений, в котором (i) снижение давления на стадии (е) происходит за две или более стадии, причем на каждой стадии давление в слое адсорбента снижают до более низкого значения, чем на предыдущей стадии, и/или (ii) внешний нагрев на стадии (г) происходит прямотоком по отношению к направлению потока газовой смеси через слой адсорбента или противотоком по отношению к направлению потока газовой смеси через слой адсорбента.
Воплощение 8. Способ по любому из предыдущих воплощений, в котором слой адсорбента состоит из материала адсорбента, который представляет собой цеолит с восьмичленными кольцами, имеющий отношение Si/Al более 500; выбран из группы, состоящей из DDR, Sigma-1, цеолит-58 и их сочетаний и взаимопроросших структур; имеет коэффициент диффузии СО2 относительно метана (DCO2/DCH4) более 10; имеет коэффициент диффузии N2 относительно метана (DN2/DCH4) более 10; и/или имеет коэффициент диффузии H2S относительно метана (DH2S/DCH4) более 10.
Воплощение 9. Способ по воплощению 8, в котором выполняется одно или более из следующих условий: поток чистого газа, содержащий менее 1 мол.% H2S и СО2 в сумме, пропускают через слой адсорбента противотоком по отношению к направлению потока газовой смеси через слой адсорбента (например, одновременно с по меньшей мере частью стадии (д), также как с по меньшей мере частью каждой из стадий (д), (е) и (ж)); первое давление составляет по меньшей мере 3,45 МПа (изб.) (500 фунт/кв.дюйм (изб.)); а содержащий N2 поток чистого газа пропускают через слой адсорбента противотоком по отношению к направлению потока газовой смеси через слой адсорбента.
Воплощение 10. Способ по любому из предыдущих воплощений, в котором стадию (г) нагрева выполняют таким образом, чтобы вызвать перемещение тепловой волны вдоль слоя адсорбента, например, прямотоком по отношению к направлению потока газовой смеси.
Воплощение 11. Способ по воплощению 10, в котором можно определить Т90 и Т10 по отношению ко второй температуре и первой температуре таким образом, что разность температур (Т90-Т10) имеет место на расстоянии не более 50% длины слоя адсорбента.
Воплощение 12. Способ по воплощению 10, в котором тепловая волна имеет максимальное число Пекле, Ре, менее 10, где Ре=(UxL)/а, где U представляет собой скорость теплообменной текучей среды, L представляет собой характеристическое расстояние, на которое переносят тепло в направлении, приблизительно перпендикулярном потоку текучей среды, а а представляет собой эффективный коэффициент термодиффузии контактора на расстоянии L, и где U составляет от приблизительно 0,01 м/с до приблизительно 100 м/с, a L составляет менее 0,1 м.
Воплощение 12. Способ по любому из предыдущих воплощений, в котором менее приблизительно 40% открытых пор слоя адсорбента имеют диаметры более приблизительно 20А и менее приблизительно 1 мкм.
Воплощение 13. Способ по любому из предыдущих воплощений, в котором слой адсорбента состоит из материала микропористого адсорбента, выбранного из цеолитов, ALPO материалов, SAPO материалов, MOF материалов, ZIF материалов, углерода и их сочетаний.
Воплощение 14. Способ по любому из предыдущих воплощений, в котором слой адсорбента состоит из материала адсорбента, выбранного из катионных цеолитов, функционализованных аминами мезо-пористых материалов, станносиликатов, углерода и их сочетаний.
Следующие концептуальные примеры представлены для иллюстрации воплощений настоящего изобретения, и их не следует воспринимать как обязательное ограничение области защиты заявленного изобретения.
Примеры
Пример 1.
Оценивали способ удаления кислого газа из природного газа, имеющего массовый расход сырья, составляющий ~3,1 станд. м3/сутки (~109 станд. фут3/сутки), и содержащего ~72% кислого газа (СО2 + H2S). В этом способе используют адсорбент, имеющий идеализированные линейные изотермы адсорбции, полученные для цеолитового адсорбента на основе шабазита (СНА) с высоким содержанием диоксида кремния. На основе изотермы, известной в течение стадии адсорбции, и теплоты адсорбции, составляющей ~25 кДж/моль, были получены изотермы адсорбции для ~104, ~120, ~150, ~175, ~200 и ~220°С.
Способ в этом примере состоял из следующих стадий.
1) Адсорбцию при высоком давлении выполняли при приблизительно 104°С. В течение этой стадии выделяется теплота адсорбции, которую сохраняют в слое адсорбента и теплоаккумулирующем материале. Это физическое тепло можно извлечь из слоя посредством, например, перекрестного теплообмена с текучей средой. В течение этой стадии конечная температура слоя может быть немного выше температуры адсорбции.
2) На второй стадии слой герметизируют и его температуру повышают до более высокой температуры для термической регенерации слоя. Указанные выше вычисления предсказывают парциальное давление СО2 в состоянии равновесия для новой величины адсорбции при более высокой температуре. Помимо извлеченного физического тепла может потребоваться небольшое количество дополнительного тепла для нагрева слоя до конечной температуры.
Идеализированное среднее давление извлечения вычисляют на основе конечного давления продувки, составляющего ~500 кПа (~5 бар), и предположения о линейном извлечении. Истинное давление извлечения обычно ниже этой величины, которую рассматривают как верхний предел. Данные, полученные на основе способа, описанного в настоящем документе, и указанные в последней колонке приведенной табл. 1, наводят на мысль о том, что с применением этой схемы можно вырабатывать кислый газ при высоком давлении извлечения.
Предложенная выше схема КАПДТ обеспечивает возможность выработки кислого газа при давлениях извлечения, сравнимых с давлением подачи сырья, при высоких температурах, выше приблизительно 175°С.
Пример 2.
В приведенной табл. 2 представлены данные для схемы КАПДТ для удаления кислого газа из газового потока. Соответствующие давления извлечения сырья, продукта и отработанных газов показаны ниже. Схема КАПДТ по настоящему изобретению обеспечивает извлечение кислого газа на стадиях ~3,64 МПа (абс.) (~527 фунт/кв.дюйм (абс.)), ~1,21 МПа (абс.) (~176 фунт/кв.дюйм (абс.)) и ~0,41 МПа (абс.) (~59 фунт/кв.дюйм (абс.)). Среднее давление извлечения возрастает.
Таблица 2
Как можно видеть из примера и соответствующих данных, приведенных в табл. 2, воплощения способа по настоящему изобретению можно применять при очень высоких давлениях подачи сырья, намного превышающих 3,45 МПа (изб.) (500 фунт/кв.дюйм (изб.)), при этом поддерживая давление продукта выше ~3,45 МПа (изб.) (~500 фунт/кв.дюйм (изб.)). Также, как можно видеть в табл. 2, продукт (обессеренный газ) можно было извлекать с очень низкими концентрациями как СО2 (~0,57 мол.%), так и H2S (~0,0003 мол.%), при этом увеличивая общую концентрацию метана (от ~80,0 мол.% в сырье до ~90,2 мол.% в продукте).
В способах, представленных в данном примере, извлечение всех углеводородов, в частности метана, является очень высоким, при этом содержание метана на стадиях выпуска отработанного газа составляет только приблизительно 1,23 мол.%.
ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ
1. Способ отделения заданного компонента газа от газовой смеси, причем заданный компонент газа выбран из группы, состоящей из СО2, H2S и их сочетания, включающий:
а) направление газовой смеси, содержащей указанный заданный компонент газа, на стадию адсорб-
ции путем введения ее со стороны подачи сырья в слой адсорбента, селективного по отношению к ад-
сорбции указанного заданного компонента газа, причем слой адсорбента имеет сторону подачи сырья и
сторону выхода продукта, и слой адсорбента эксплуатируют при первом давлении и первой температуре,
причем первое давление составляет от 100 кПа (абс.) до 60 МПа (абс.) (от 1 до 600 бар (абс.)), при этом
слой адсорбента адсорбирует указанный заданный компонент газа, а газообразный продукт, обедненный
заданным компонентом газа, выходит со стороны выхода продукта из указанного слоя адсорбента;
б) прекращение введения указанной газовой смеси в указанный слой адсорбента до того, как про-
скок указанного заданного компонента газа достигнет стороны выхода продукта из указанного слоя ад-
сорбента;
в) герметизацию стороны подачи сырья в указанный слой адсорбента;
г) внешний нагрев герметизированного слоя адсорбента до второй температуры, которая выше ука-
занной первой температуры, что приводит к десорбции по меньшей мере части указанного заданного
компонента газа из указанного слоя адсорбента и, таким образом, приводит к увеличению давления ука-
занного заданного компонента газа и к увеличению давления в слое адсорбента до второго давления;
д) извлечение по меньшей мере первой части указанного заданного компонента газа при втором
давлении, которое выше давления в начале стадии нагрева (г);
е) снижение давления в слое адсорбента до третьего давления, которое ниже указанного второго
давления, и извлечение второй части заданного компонента газа, при этом снижение давления происхо-
дит за две или более стадии, и на каждой стадии давление в слое адсорбента снижают до более низкого
значения, чем на предыдущей стадии;
ж) внешнее охлаждение по меньшей мере части указанного слоя адсорбента на стороне подачи сы-
рья до третьей температуры, которая ниже указанной второй температуры на стадии (г);
з) восстановление давления в указанном слое адсорбента для следующего цикла адсорбции.
2. Способ по п.1, в котором давление в слое адсорбента понижают в противотоке перед стадией (в) до давления, которое меньше первого давления.
3. Способ по п.1 или 2, в котором выполняется одно или более из следующих условий: первая температура составляет от -195 до 300°С (например, от 20 до 150°С), первое давление составляет от 200 кПа (абс.) до 20 МПа (абс.) (от 2 до 200 бар (абс.)), вторая температура по меньшей мере на 10°С выше первой температуры, третья температура составляет от -195 до 300°С, а газовая смесь представляет собой поток природного газа.
4. Способ по любому из предыдущих пунктов, в котором заданное вещество включает H2S, причем газообразный продукт, выходящий со стороны выхода продукта из указанного слоя адсорбента, содержит H2S в количестве не более 4 об.ч./млн, а подаваемая газовая смесь содержит H2S в количестве от 6 до 10000 об.ч./млн.
5. Способ по любому из предыдущих пунктов, в котором слой адсорбента включает открытые потоковые каналы по всей своей длине, через которые пропускают газовую смесь, и/или представляет собой контактор с параллельными каналами.
6. Способ по любому из предыдущих пунктов, в котором внешний нагрев на стадии (г) осуществляют таким образом, чтобы получить тепловую волну, которая перемещается прямотоком по отношению к направлению потока газовой смеси через слой адсорбента или противотоком по отношению к направлению потока газовой смеси через слой адсорбента.
7. Способ по любому из предыдущих пунктов, в котором слой адсорбента состоит из материала адсорбента, который представляет собой цеолит с восьмичленными кольцами, имеющий отношение Si/Al более 500; выбран из группы, состоящей из DDR, Sigma-1, Цеолит-58 и их сочетаний и взаимопроросших структур; имеет коэффициент диффузии СО2 относительно метана (DCO2/DCH4) более 10; имеет коэффициент диффузии N2 относительно метана (DN2/DCH4) более 10 и/или имеет коэффициент диффузии H2S относительно метана (DH2S/DCH4) более 10.
8. Способ по п.7, в котором выполняется одно или более из следующих условий: поток чистого газа, содержащий менее 1 мол.% H2S и СО2 в сумме, пропускают через слой адсорбента противотоком по отношению к направлению потока газовой смеси через слой адсорбента (например, одновременно с по меньшей мере частью стадии (д), также как по меньшей мере с частью каждой из стадий (д), (е) и (ж)); первое давление составляет по меньшей мере 3,45 МПа (изб.) (500 фунт/кв.дюйм (изб.)); а содержащий N2 поток чистого газа пропускают через слой адсорбента противотоком по отношению к направлению потока газовой смеси через слой адсорбента.
9. Способ по любому из предыдущих пунктов, в котором стадию (г) нагрева выполняют таким образом, чтобы вызвать перемещение тепловой волны вдоль слоя адсорбента, например, прямотоком по отношению к направлению потока газовой смеси.
2.
10. Способ по п.9, в котором можно определить Т90 и Т10 по отношению ко второй температуре и первой температуре таким образом, что разность температур (Т90-Т10) имеет место на расстоянии не более 50% длины слоя адсорбента, где Т10 представляет собой температуру, которая на 10% выше минимальной температуры Тмин, а Т90 представляет собой температуру, которая на 10% ниже максимальной
температуры Тмакс.
11. Способ по п.9, в котором тепловая волна имеет максимальное число Пекле, Ре, менее 10, где Ре=(ихЬ)/а, где U представляет собой скорость теплообменной текучей среды; L представляет собой характеристическое расстояние, на которое переносят тепло в направлении, приблизительно перпендикулярном потоку текучей среды; а представляет собой эффективный коэффициент термодиффузии контактора на расстоянии L; U составляет от приблизительно 0,01 до приблизительно 100 м/с, a L составляет менее 0,1 м.
12. Способ по любому из предыдущих пунктов, в котором менее приблизительно 40% открытых пор слоя адсорбента имеют диаметры более приблизительно 20А и менее приблизительно 1 мкм.
13. Способ по любому из предыдущих пунктов, в котором слой адсорбента состоит из материала микропористого адсорбента, выбранного из цеолитов, ALPO материалов, SAPO материалов, MOF материалов, ZIF материалов, углерода и их сочетаний.
14. Способ по любому из предыдущих пунктов, в котором слой адсорбента состоит из материала адсорбента, выбранного из катионных цеолитов, функционализованных аминами мезопористых материалов, станносиликатов, углерода и их сочетаний.
Евразийская патентная организация, ЕАПВ Россия, 109012, Москва, Малый Черкасский пер., 2
025720
- 1 -
(19)
025720
- 1 -
(19)
025720
- 1 -
(19)
025720
- 4 -