Устройство и система для осуществления процессов короткоцикловой адсорбции - RU2714063C1
Код документа: RU2714063C1
Чертежи
Описание
ПЕРЕКРЕСТНЫЕ ССЫЛКИ НА РОДСТВЕННЫЕ ЗАЯВКИ
[0001] По данной заявке испрашивается приоритет на основании предварительной патентной заявки США № 62/310289 от 18 марта 2016 года, озаглавленной «APPARATUS AND SYSTEM FOR SWING ADSORPTION PROCESSES RELATED THERETO», которая в полном объеме включена в настоящее описание посредством ссылки.
ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ, К КОТОРОЙ ОТНОСИТСЯ ИЗОБРЕТЕНИЕ
[0002] Настоящее изобретение относится к системе и способу, связанным с усовершенствованным процессом короткоцикловой адсорбции. В частности, система относится к процессу короткоцикловой адсорбции для удаления загрязнителей из сырьевого потока посредством устройств с адсорбционным слоем.
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
[0003] Разделение газов используется во многих областях промышленности и, как правило, может осуществляться путем пропускания смеси газов через адсорбирующий материал, который преимущественно адсорбирует один или более газовых компонентов в сырьевом потоке, при этом не адсорбируя один или более других газовых компонентов. Неадсорбированные компоненты извлекаются как отдельный продукт. Разделение газовых компонентов адсорбцией является традиционным способом, который осуществляется во многих разных подходах. Например, адсорбционные разделения могут быть основаны на различиях в равновесном сродстве различных газовых компонентов (например, равновесные разделения) или на различиях в кинетике адсорбции газовых компонентов (например, кинтетические разделения).
[0004] Одним конкретным типом технологии разделения газов является короткоцикловая адсорбция, такая как адсорбция с перепадом температуры (TSA), адсорбция с перепадом давления (PSA), адсорбция с перепадом парциального давления (PPSA), адсорбция с перепадом давления с частыми циклами (RCPSA), адсорбция с перепадом парциального давления с частыми циклами (RCPPSA), не ограничивающаяся перечисленным, но дополнительно включающая комбинации указанных выше процессов, такие как адсорбция с перепадом давления и температуры. В качестве примера, процессы PSA основаны на том, что некоторые газовые компоненты легче адсорбируются в пористой структуре или в свободном объеме адсорбирующего материала, когда газовый компонент находится под давлением. То есть, чем выше давление газа, тем больше поглощенное количество легко адсорбирующегося газа. Когда давление понижают, адсорбированный газовый компонент высвобождается или десорбируется из адсорбирующего материала.
[0005] Процессы короткоцикловой адсорбции (например, PSA И TSA) могут использоваться для разделения газовых компонентов газовой смеси, поскольку различные газовые компоненты имеют тенденцию к заполнению микропор адсорбирующего материала в различной степени. Например, если газовая смесь, такая как природный газ, пропускается под давлением через устройство с адсорбционным слоем, которое может называться устройством или сосудом с адсорбционным слоем, содержащим адсорбирующий материал, который является более селективным по отношению к углекислому газу, чем к метану, по меньшей мере часть углекислого газа селективно адсорбируется адсорбирующим материалом, и газ, выходящий из устройства с адсорбционным слоем, обогащен метаном. Когда адсорбирующий материал достигает предела своей способности адсорбировать углекислый газ, его регенерируют понижением давления, в результате чего высвобождается адсорбированный углекислый газ. Затем адсорбирующий материал обычно продувают и давление снова восстанавливают. После этого адсорбирующий материал готов к другому циклу адсорбции.
[0006] Процессы короткоцикловой адсорбции обычно включают использование устройств с адсорбционным слоем, которые содержат адсорбирующий материал, расположенный внутри корпуса устройства с адсорбционным слоем. Эти устройства с адсорбционным слоем используют различный насадочный материал в структурах адсорбционного слоя. Например, в устройствах с адсорбирующим слоем используется насадочный кирпич, слои шариковой засыпки или другие доступные насадки. В качестве усовершенствования, некоторые устройства с адсорбционным слоем могут использовать сконструированную насадку в структуре адсорбционного слоя. Сконструированная насадка может включать материал, выполненный в специфической конфигурации, такой как сотовые, керамические формы или тому подобное. Сконструированная насадка может быть сформирована из адсорбирующего материала или может быть покрытием на структуре или основе.
[0007] Кроме того, различные устройства с адсорбционным слоем могут быть соединены каналами, коллекторами и клапанами для регулирования потока текучих сред. Управление этими устройствами с адсорбционным слоем включает координирование циклов каждого из устройств с адсорбционным слоем с другими устройствами с адсорбционным слоем в системе. Продолжительность полного цикла может варьировать от нескольких секунд до нескольких минут, поскольку в нем транспортируется множество газовых потоков через одно или более устройство с адсорбционным слоем.
[0008] Однако процессы короткоцикловой адсорбции характеризуются определенными проблемами из-за нескольких технически сложных факторов, таких как процессы адсорбции с частыми циклами. Эти факторы могут включать поддержание низкого перепада давления через адсорбционный слой, хорошее распределение потока в адсорбционный слой и внутри него, и минимальное рассеивание (например, осевое распространение) фронта концентрирования в адсорбционном слое. Кроме того, другой фактор может включать частую периодичность повторения циклов, которая требует быстродействующих и имеющих низкий мертвый объем клапанов. Наконец, еще один фактор может заключаться в том, что устройство с адсорбционным слоем должно быть выполнено с возможностью содержать адсорбционный слой при определенных давлениях, с поддержкой быстродействующих клапанов и сведением к минимуму мертвого объема в устройстве с адсорбционным слоем.
[0009] Эти проблемы являются еще более сложными для технического обслуживания устройства с адсорбционным слоем. Традиционное устройство с адсорбционным слоем с частыми циклами выполнено в виде вертикального цилиндра с плоскими торцевыми пластинами (головками) для минимизации мертвого объема. Поток поступает в устройство с адсорбционным слоем и выходит из него через быстродействующие клапаны, смонтированные на плоских головках, прилегающих к адсорбирующему материалу. Расположение клапанов на головках создает значительные трудности для замены адсорбционного слоя. Например, в традиционной конфигурации адсорбционного слоя, клапаны на одном конце адсорбционного слоя должны удаляться вместе с любыми связанными коллекторами и/или каналами для того, чтобы обеспечить доступ к адсорбционному слою. Снятие клапанов, коллекторов и каналов является трудоемким, требует много времени и увеличивает эксплуатационные расходы системы. В связи с этим, замена адсорбционного слоя в устройстве является проблематичной.
[0010] Соответственно, в промышленности по-прежнему существует потребность в устройствах, способах и системах, которые обеспечивают улучшения для регулирования потока текучих сред к адсорбционным слоям. Настоящее изобретение преодолевает недостатки традиционных подходов короткоцикловой адсорбции за счет обеспечения доступа через головку к адсорбирующему материалу в устройстве с адсорбционным слоем. Способы настоящего изобретения уменьшают простой вследствие технического обслуживания, снижают трудозатраты и расходы, связанные с обслуживанием устройства с адсорбционным слоем по сравнению с традиционными подходами и системами.
РАСКРЫТИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
[0011] В одном варианте осуществления настоящее изобретение описывает короткоцикловое устройство с адсорбционным слоем для удаления загрязнителей из газообразного сырьевого потока. Короткоцикловое устройство с адсорбционным слоем может быть выполнено с возможностью удаления загрязнителей из газообразного сырьевого потока. Устройство с адсорбционным слоем содержит: корпус, образующий внутреннюю область, причем корпус включает корпусную часть, закрепленную между первой головкой и второй головкой; адсорбционный слой, расположенный внутри внутренней области; и множество первых клапанов, прикрепленных к корпусу, при этом каждый клапан из множества первых клапанов выполнен с возможностью регулирования потока текучей среды вдоль пути потока, продолжающегося из местоположения, внешнего по отношению к корпусу, через канал и в адсорбционный слой, при этом каждый клапан из множества первых клапанов имеет площадь поперечного сечения клапана, расположенную за пределами площади поперечного сечения поверхности раздела адсорбционного слоя.
[0012] В еще одном варианте осуществления описан способ удаления загрязнителей из сырьевого потока. Способ включает: а) осуществление одной или более стадии адсорбции в устройстве с адсорбционным слоем, причем каждая из одной или более стадий адсорбции включает: (i) открытие по меньшей мере одного первого тарельчатого клапана для пропускания газообразного сырьевого потока из впускного канала сырья в адсорбционный слой, расположенный во внутренней области корпуса устройства с адсорбционным слоем, при этом по меньшей мере один первый тарельчатый клапан находится в прямом сообщении по потоку с впускным каналом сырья и выполнен с возможностью регулирования потока текучей среды вдоль пути потока, продолжающегося из местоположения, внешнего по отношению к корпусу, через впускной канал сырья и в адсорбционный слой, при этом по меньшей мере один первый тарельчатый клапан имеет первую площадь поперечного сечения клапана, расположенную за пределами площади поперечного сечения поверхности раздела адсорбционного слоя, (ii) подвергание газообразного сырьевого потока воздействию адсорбционного слоя для отделения одного или более загрязнителей от газообразного сырьевого потока с образованием потока продукта, и (iii) открытие одного или более тарельчатых клапанов продукта для отведения потока продукта из внутренней области в корпусе в канал продукта; b) осуществление одной или более стадий продувки, причем каждая из одной или более стадий продувки включает пропускание потока продувки в устройство с адсорбционным слоем для отведения по меньшей мере части одного или более загрязнителей в выходящий поток продувки, при этом выходящий поток продувки проходит через по меньшей мере один второй тарельчатый клапан, при этом по меньшей мере один второй тарельчатый клапан имеет площадь поперечного сечения второго клапана, расположенную за пределами площади поперечного сечения поверхности раздела адсорбционного слоя; и c) повторение стадий а) - b) в течение по меньшей мере одного дополнительного цикла, при этом продолжительность цикла составляет более 1 с и менее 600 с. Способ может включать прерывание цикла; удаление головки из устройства с адсорбционным слоем вблизи по меньшей мере одного первого тарельчатого клапана и по меньшей мере одного второго тарельчатого клапана, чтобы открыть отверстие во внутреннюю область; и удаление адсорбционного слоя из внутренней области, при этом по меньшей мере один первый тарельчатый клапан и по меньшей мере один второй тарельчатый клапан соединены с устройством с адсорбционным слоем. Способ может дополнительно включать помещение второго адсорбционного слоя во внутреннюю область; прикрепление головки к устройству с адсорбционным слоем; и возобновление цикла способа. Кроме того, способ может включать направление устройства с адсорбционным слоем во внутренней области посредством термокомпенсационного кольца.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
[0013] Вышеуказанные и другие преимущества настоящего изобретения могут стать очевидными при рассмотрении следующего подробного описания и чертежей неограничивающих примеров вариантов осуществления.
[0014] На фиг.1 представлен трехмерная схема системы короткоцикловой адсорбции с шестью традиционными устройствами с адсорбционным слоем и соединительным трубопроводом.
[0015] На фиг.2 схематически представлен частичный вид традиционного устройства с адсорбционным слоем.
[0016] На фиг.3 представлен график, показывающий различия в негативном эффекте избыточного мертвого объема на соответствующих концах адсорбционного слоя.
[0017] На фиг.4А и фиг.4В представлены схемы части устройства с адсорбционным слоем, имеющей связанные с ней клапанные сборки в соответствии с альтернативными вариантами осуществления способов настоящего изобретения.
[0018] На фиг.5A, фиг.5B, фиг.5C и фиг.5D представлены дополнительные схемы части устройства с адсорбционным слоем, имеющей связанные с ней клапанные сборки в соответствии с альтернативными вариантами осуществления способов настоящего изобретения.
[0019] На фиг.6А, фиг.6В, фиг.6С, фиг.6D и фиг.6Е представлен канал с различными структурными элементами в соответствии с вариантом осуществления способов по настоящему изобретению.
[0020] На фиг.7A, фиг.7B, фиг.7C, фиг.7D, фиг.7E и фиг.7F представлены схемы приводимого в качестве примера устройства с адсорбционным слоем в соответствии с вариантом осуществления способов по настоящему изобретению.
[0021] На фиг.8A, фиг.8B и фиг.8C представлены схемы части устройства с адсорбционным слоем и связанного термокомпенсационного кольца в соответствии с вариантом осуществления способов по настоящему изобретению.
[0022] На фиг.9A, фиг.9B, фиг.9C, фиг.9D и фиг.9E представлены схемы приводимого в качестве примера улавливающего механизма в соответствии с вариантом осуществления способов по настоящему изобретению.
[0023] На фиг.10A, фиг.10B и фиг.10C представлены трехмерные схемы системы короткоцикловой адсорбции, имеющей четыре устройства с адсорбционным слоем и соединительным трубопроводом в соответствии с вариантом осуществления способов по настоящему изобретению.
[0024] На фиг.11A, фиг.11B, фиг.11C, фиг.11D, фиг.11E и фиг.11F представлены схемы альтернативных конфигураций устройства с адсорбционным слоем в соответствии с вариантом осуществления способов по настоящему изобретению.
[0025] На фиг.12 представлена трехмерная схема устройства с адсорбционным слоем, расположенного в системе акустического демпфирования в соответствии с вариантом осуществления способов по настоящему изобретению.
ОПИСАНИЕ ПРЕДПОЧТИТЕЛЬНЫХ ВАРИАНТОВ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ
[0026] Если не определено иное, все технические и научные термины, употребляемые в настоящем документе, имеют такое же значение, какое обычно понимается специалистом в области техники, к которой принадлежит данное изобретение. Формы слов единственного числа включают соответствия во множественном числе, если из контекста явно не следует иное. Аналогичным образом, слово «или» предполагает включение «и», если из контекста явно не следует иное. Термин «включает в себя» означает «содержит». Все патенты и публикации, упоминаемые в настоящем документе, включены посредством ссылки в полном объеме, если не указано иное. В случае конфликта в отношении значения термина или фразы, настоящее описание, включающее объяснения терминов, имеет приоритет. Термины направления, такие как «верхний», «нижний», «верх», «низ», «передний», «задний», «вертикальный» и «горизонтальный», используются здесь для выражения и пояснения взаимосвязи между различными элементами. Следует понимать, что такие термины не обозначают абсолютную ориентацию (например, «вертикальный» компонент может стать «горизонтальным» при вращении устройства). Материалы, способы и примеры, приведенные в настоящем описании, являются только иллюстративными и не предназначены для ограничения.
[0027] Используемый в настоящем документе термин «поток» относится к текучей среде (например, твердым веществам, жидкости и/или газу), проходящей через различное оборудование. Оборудование может включать каналы, сосуды, коллекторы, узлы или другие подходящие устройства.
[0028] Используемый в настоящем документе термин «канал» относится к трубчатому элементу, образующему канал, по которому что-либо транспортируется. Канал может включать в себя одну или более трубу, коллектор, трубку или тому подобное.
[0029] Выражение «в прямом сообщении по потоку» или «в прямом сообщении по текучей среде» означает в прямом сообщении по потоку без промежуточных клапанов или других закрывающих средств для препятствия потоку. Однако, выражение «в прямом сообщении по потоку» может включать в себя распределители или другие распределительные устройства для распределения потока вдоль пути потока. Как может быть понятно, в объеме настоящего изобретения также могут предполагаться и другие варианты.
[0030] Термин «площадь поперечного сечения поверхности раздела» означает площадь поперечного сечения конца адсорбционного слоя, где поток входит или выходит из адсорбционного слоя. Например, если сырьевой поток поступает в адсорбционный слой на первом конце, площадь поперечного сечения первого конца представляет собой площадь поперечного сечения поверхности раздела. Как может быть понятно, в объеме настоящего изобретения также могут предполагаться и другие варианты.
[0031] Выражение «площадь поперечного сечения клапана» означает площадь поперечного сечения клапана относительно конца клапана, где поток входит или выходит из клапана. Например, клапанное отверстие может представлять собой площадь поперечного сечения клапана. В частности, для тарельчатого клапана дисковый элемент перемещается для обеспечения канала потока вокруг дискового элемента, когда он находится в открытом положении. Соответственно, клапанное отверстие, образованное перемещением дискового элемента от клапанного седла, используется для определения площади поперечного сечения клапана для тарельчатого клапана, которое может быть площадью поперечного сечения дискового элемента. Как может быть понятно, в объеме настоящего изобретения также могут предполагаться и другие варианты.
[0032] Выражение «площадь поперечного сечения клапана, расположенная по меньшей мере частично в пределах площади поперечного сечения поверхности раздела» означает, что площадь поперечного сечения клапана по меньшей мере частично находится в пределах площади поперечного сечения поверхности раздела, если смотреть вдоль оси, проходящей непосредственно через адсорбционный слой вдоль преобладающего пути потока. Например, адсорбционный слой имеет поверхность раздела на одном конце, где поток входит или выходит из адсорбционного слоя. Поверхность раздела имеет длину и ширину, тогда как глубина является направлением течения потока вдоль преобладающего пути потока через адсорбционный слой.
[0033] Выражение «площадь поперечного сечения клапана, расположенная за пределами площади поперечного сечения поверхности раздела» означает, что площадь поперечного сечения клапана находится снаружи или выходит за пределы площади поперечного сечения поверхности раздела, если смотреть вдоль оси, проходящей непосредственно через адсорбционный слой вдоль преобладающего пути потока. Например, адсорбционный слой имеет поверхность раздела на одном конце, где поток входит или выходит из адсорбционного слоя. Поверхность раздела имеет длину и ширину, тогда как глубина является направлением течения потока вдоль преобладающего пути потока через адсорбционный слой.
[0034] Выражение «площадь поперечного сечения клапана, расположенная в пределах площади поперечного сечения поверхности раздела» означает, что площадь поперечного сечения клапана находится в пределах площади поперечного сечения поверхности раздела, если смотреть вдоль оси, проходящей непосредственно через адсорбционный слой вдоль преобладающего пути потока.
[0035] Способы настоящего изобретения относятся к процессу короткоцикловой адсорбции (например, процессу с частыми циклами) для удаления загрязнителей из сырьевого потока (например, природного газа) с использованием адсорбционных слоев с частыми циклами. Способы настоящего изобретения обеспечивают оптимальное соотношение между мертвым объемом в устройстве с адсорбционным слоем и эксплуатационным обслуживанием и работоспособностью, связанными с устройством с адсорбционным слоем. Во многих конфигурациях клапаны расположены в головке устройства с адсорбционным слоем для уменьшения мертвого объема для процессов короткоцикловой адсорбции. Однако, поскольку адсорбирующий материал должен меняться на периодической основе (например, раз в год или раз в два года), доступ к адсорбирующему материалу обычно включает снятие клапанов, связанных с ними каналов и связанных с ними коллекторов для обеспечения доступа к адсорбирующему материалу. Снятие этого оборудования является трудоемким, увеличивает вероятность возникновения повреждений в системе и удлиняет период времени для технического обслуживания устройства с адсорбционным слоем. Соответственно, настоящее изобретение предлагает устройство с адсорбционным слоем, которое обеспечивает необходимый доступ к адсорбирующему материалу, оптимизируя при этом мертвый объем устройства с адсорбционным слоем в специфической конфигурации для уменьшения проблем с производительностью, связанных с дополнительным мертвым объемом. В данной конфигурации клапаны для одной из головок имеют площадь поперечного сечения клапана, расположенную снаружи или за пределами площади поперечного сечения поверхности раздела (например, площадь поперечного сечения определяется поверхностью раздела к адсорбционному слою).
[0036] В отличие от традиционных подходов, способы настоящего изобретения обеспечивают доступ к адсорбирующему материалу для осуществления технического обслуживания устройства с адсорбционным слоем за счет расположения клапанов за пределами площади поперечного сечения поверхности раздела (например, за пределами площади поперечного сечения головки). В традиционных конфигурациях адсорбционный слой имеет площадь поперечного сечения поверхности раздела, которая имеет клапаны в прямом сообщении по потоку с адсорбционным слоем, расположенные непосредственно рядом с адсорбционным слоем и в пределах площади поперечного сечения поверхности раздела. В способах настоящего изобретения клапаны для одной из головок расположены за пределами площади поперечного сечения поверхности раздела адсорбционного слоя и даже за пределами площади поперечного сечения головки устройства с адсорбционным слоем. В частности, клапаны для одной из головок расположены за пределами внешнего периметра головки устройства с адсорбционным слоем. Соответственно, настоящее изобретение обеспечивает доступ к адсорбирующему материалу через одну головку без необходимости удаления другого оборудования, связанного с устройством с адсорбционным слоем (например, без необходимости удаления клапанов, каналов или коллекторов), что уменьшает затраты на техническое обслуживание, время технического обслуживания и повреждение оборудования, регулируя мертвый объем до приемлемого уровня и обеспечивая приемлемое распределение потока в адсорбционный слой.
[0037] В одном или более вариантах осуществления, устройство с адсорбционным слоем может быть модифицированным вертикальным цилиндрическим устройством с адсорбционным слоем, которое выполнено таким образом, чтобы иметь клапаны регулирования потока для одной головки устройства с адсорбционным слоем, не находящиеся в пределах площади поперечного сечения поверхности раздела адсорбционного слоя или даже частично в пределах площади поперечного сечения поверхности раздела адсорбционного слоя. Например, клапаны регулирования потока для одной головки могут быть расположены на головке устройства с адсорбционным слоем, непосредственно примыкающей к адсорбционному слою (например, в пределах или частично в пределах площади поперечного сечения поверхности раздела), в то время как клапаны регулирования потока для другой головки выполнены с возможностью расположения в удаленном местоположении (например, за пределами площади поперечного сечения поверхности раздела). Данная конфигурация обеспечивает доступ для технического обслуживания к адсорбционному слою. Удаленные места установки клапанов могут быть выполнены как одно целое с головкой устройства, или они могут быть сформированы на отдельной пластине, которая расположена между фланцем устройства и головкой устройства. Хотя одиночные клапаны могут быть расположены в разных местах, также могут использоваться и множественные клапаны в зависимости от требований конкретного применения. Кроме того, клапаны могут быть клапанами с активным управлением и/или клапанами с пассивным управлением. Клапан с пассивным управлением может открываться за счет разности давлений, действующей на его подвижный элемент (например, дисковый элемент), без необходимости иного приведения в действие подвижного элемента.
[0038] В некоторых вариантах осуществления могут быть предусмотрены различные признаки для дальнейшего усовершенствования устройства с адсорбционным слоем. Например, термокомпенсационное кольцо может быть помещено между адсорбционным слоем и одной из головок устройства с адсорбционным слоем (например, головкой, имеющей клапаны, находящиеся в пределах или частично в пределах площади поперечного сечения поверхности раздела). Термокомпенсационное кольцо может быть выполнено с возможностью направления адсорбционного слоя, выравнивания адсорбционного слоя в устройстве с адсорбционным слоем, корректировки для теплового расширения и направления адсорбционного слоя во время вставки в устройство с адсорбционным слоем. Кроме того, устройство с адсорбционным слоем может дополнительно содержать временную пленку для задержки мусора. Пленка для задержки мусора может использоваться во время техобслуживания, для сбора любого мусора, который попадает в устройство с адсорбционным слоем во время замены адсорбирующих материалов (например, адсорбционного слоя), и может быть расположена между адсорбционным слоем и клапанами вблизи одного из концов (например, около одной из головок). Например, если адсорбционный слой имеет вертикально ориентированную конфигурацию, пленка для задержки мусора может быть вставлена в отклоняющий канал между нижними клапанами и адсорбционным слоем до начала удаления адсорбционного слоя. После этого, любой мусор может падать на пленку для задержки мусора и удаляться из устройства с адсорбционным слоем. После вставки в устройство с адсорбционным слоем пленка для задержки мусора может быть удалена, и отклоняющий канал может быть закрыт заглушкой для осуществления эксплуатации.
[0039] Способы настоящего изобретения могут использоваться для улучшения процессов короткоцикловой адсорбции. Например, цикл в процессе короткоцикловой адсорбции может включать в себя две или более стадии, каждая из которых имеет определенный временной интервал, которые суммируются вместе, образуя время цикла. Данные стадии включают регенерацию адсорбционного слоя после стадии адсорбции с использованием множества способов, включающих перепад давления, перепад вакуума, перепад температуры, продувку (посредством любого подходящего типа продувочной текучей среды для осуществления процесса) и их сочетания. В качестве примера, цикл короткоцикловой адсорбции может включать стадии адсорбции, сброса давления, продувки и повторного повышения давления. При выполнении разделения при высоком давлении декомпрессия и повторное повышение давления (которые могут называться стадиями выравнивания) осуществляются в несколько стадий, чтобы уменьшить изменение давления для каждой стадии и повысить эффективность. В некоторых процессах короткоцикловой адсорбции, таких как процессы адсорбции с частыми циклами, значительная часть общего времени цикла отводится на регенерацию адсорбционного слоя. Соответственно, любое уменьшение времени регенерации приводит к уменьшению общего времени цикла. Данное уменьшение также может уменьшать общие размеры системы короткоцикловой адсорбции.
[0040] Как может быть понятно, настоящее изобретение также может включать различные давления для сырьевого потока и потока продувки. В результате, устройство с адсорбционным слоем может работать при давлении в диапазоне от 5 фунт/кв.дюйм абс. до 1400 фунт/кв.дюйм абс. (0,03-9,6 МПа абс.). Например, давление подачи может быть основано на предпочтительном давлении адсорбции сырья, которое может находиться в диапазоне от 400 фунт/кв.дюйм абс. до 1400 фунт/кв. дюйм (2,8-9,6 МПа абс.), или в диапазоне от 600 фунт/кв.дюйм абс. до 1200 фунт/кв. дюйм абс. (4,1-8,3 МПа абс.). К тому же, давление продувки может быть основано на предпочтительном давлении продувки адсорбента, которое может находиться в диапазоне от 50 фунт/кв.дюйм абс. до 800 фунт/кв. дюйм (0,3-5,5 МПа абс.), или в диапазоне от 400 фунт/кв.дюйм абс. до 600 фунт/кв. дюйм абс. (2,8-4,1 МПа абс.).
[0041] Способы настоящего изобретения могут быть интегрированы в различные конфигурации. Например, устройство с адсорбционным слоем может включать в себя структурированные или неструктурированные адсорбционные слои, и устройство с адсорбционным слоем может дополнительно содержать дополнительные признаки для облегчения выравнивания потока и распределения потока. Кроме того, способы по настоящему изобретению могут использоваться, среди прочего, для предварительного обезвоживания и объединения с криогенным получением газоконденсатной жидкости (ГКЖ), что может включать удаление загрязнителей в соответствии с требованиями криогенной обработки сырьевого газа. Другая интеграция может включать установку сжиженного природного газа (СПГ) или другие подобные установки. В любом случае, способы по настоящему изобретению могут использоваться для очистки сырьевых потоков, содержащих избыточные количества загрязнителей, таких как вода и CO2. Способы по настоящему изобретению также могут использоваться для удаления загрязнителей в соответствии с другими спецификациями, такими как спецификации криогенного сжижения природного газа для установки криогенного получения сжиженного природного газа.
[0042] В одном или более вариантов осуществления способы настоящего изобретения могут использоваться для любого типа процесса короткоцикловой адсорбции. Не имеющие ограничительного характера процессы короткоцикловой адсорбции, которые могут использоваться в способах настоящего изобретения, могут включать адсорбцию с перепадом давления (PSA), вакуумную адсорбцию с перепадом давления (VPSA), адсорбцию с перепадом температуры (TSA), адсорбцию с перепадом парциального давления (PPSA), адсорбцию с перепадом давления с частыми циклами (RCPSA), адсорбцию с перепадом температуры с частыми циклами (RCTSA), адсорбцию с перепадом парциального давления с частыми циклами (RCPPSA), а также сочетания этих процессов, такие как адсорбция с перепадом давления/температуры. Приводимые в качестве примера кинетические процессы короткоцикловой адсорбции описаны в публикациях патентных заявок США №№ 2008/0282892, 2008/0282887, 2008/0282886, 2008/0282885, 2008/0282884 и 2014/0013955, каждая из которых в полном объеме включена в настоящее описание посредством ссылки.
[0043] В некоторых вариантах осуществления устройство с адсорбционным слоем может включать в себя корпус, который может включать головную часть и другие корпусные части, которые образуют по существу не проницаемое для газа отделение, адсорбционный слой, расположенный в пределах корпуса, и множество клапанов (например, тарельчатых клапанов), обеспечивающих каналы для потока текучей среды через отверстия в корпусе между внутренней областью корпуса и местоположениями, находящимися снаружи по отношению к внутренней области корпуса. Каждый из тарельчатых клапанов может включать дисковый элемент, который выполнен с возможностью посадки внутри головки, или дисковый элемент, который выполнен с возможностью посадки внутри отдельного клапанного седла, вставленного в головку. Конфигурация тарельчатых клапанов может быть любым распределением клапанов или любой конфигурацией типов тарельчатых клапанов. Например, устройство с адсорбционным слоем может включать в себя один или большее число тарельчатых клапанов, каждый из которых находится в сообщении по потоку с другим каналом, связанным с другими потоками. Тарельчатые клапаны могут обеспечивать сообщение по текучей среде между адсорбционным слоем и одним из соответствующих каналов, коллекторов или магистралей.
[0044] Описанные выше способы, устройство и системы адсорбционного разделения подходят для переработки и получения углеводородов, таких как переработка нефти и газа. В частности, предложенные способы, устройство и системы подходят для быстрого, крупномасштабного и эффективного выделения различных целевых газов из газовых смесей. В частности, способы, устройство и системы могут использоваться для получения сырьевых продуктов (например, продуктов природного газа) путем удаления загрязнителей и тяжелых углеводородов (например, углеводородов, имеющих по меньшей мере два атома углерода). Предложенные способы, устройство и системы подходят для получения газообразных сырьевых потоков для использования во вспомогательных системах, в том числе в сепарационных применениях. Сепарационные применения могут включать регулирование точки росы, демеркаптанизацию и/или нейтрализацию токсичных веществ, защиту и/или предупреждение коррозии, обезвоживание, повышение теплотворной способности, кондиционирование и/или очистку. Примеры вспомогательных систем, в которых используется одно или более сепарационное применение, включают производство топливного газа, уплотнительного газа, технической воды, защитного газа, инструментального и контрольного газа, хладагента, инертного газа и/или извлечение углеводородов.
[0045] В других вариантах осуществления, способы по настоящему изобретению могут использоваться для уменьшения количества загрязнителей потока до определенного уровня посредством процесса короткоцикловой адсорбции. Соответственно, настоящее изобретение обеспечивает дополнительное пространство для клапанов, таких как тарельчатые клапаны, за счет размещения клапанов за пределами площади поперечного сечения поверхности раздела адсорбционного слоя (например, клапаны имеют площадь поперечного сечения клапана, расположенную за пределами площади поперечного сечения поверхности раздела адсорбционного слоя для одной из головок устройства с адсорбционным слоем). Способы настоящего изобретения могут быть лучше поняты со ссылкой на фиг.1 - фиг.8С ниже.
[0046] На фиг.1 представлена трехмерная схема системы 100 короткоцикловой адсорбции, имеющей шесть традиционных устройств с адсорбционным слоем и соединительный трубопровод. Хотя данная конфигурация является конкретным примером традиционного модульного блока, эта конкретная конфигурация предназначена для иллюстративных целей, поскольку другие конфигурации могут включать различное число устройств с адсорбционным слоем.
[0047] В данной системе устройства с адсорбционным слоем, такие как устройство 102 с адсорбционным слоем, могут быть выполнены с возможностью осуществления процесса короткоцикловой адсорбции для удаления загрязнителей из сырьевых потоков (например, текучих сред, газообразных или жидких). Например, устройство 102 с адсорбционным слоем может включать в себя различные каналы (например, канал 104) для регулирования потока текучих сред через, в или из адсорбционного слоя в устройстве 102 с адсорбционным слоем. Эти каналы из устройства 102 с адсорбционным слоем могут быть соединены с коллектором (например, коллектором 106) для распределения течения потока в, из или между компонентами. Адсорбционный слой в устройстве с адсорбционным слоем может отделять один или более загрязнителей от сырьевого потока с образованием потока продукта. Как может быть понятно, устройства с адсорбционным слоем могут включать в себя другие каналы для регулирования других потоков текучих сред как часть процесса, таких как потоки продувки, потоки сброса давления, и тому подобное. Кроме того, устройство с адсорбционным слоем может дополнительно включать в себя один или большее число выравнивающих сосудов, таких как выравнивающий сосуд 108, которые предназначены для устройства с адсорбционным слоем и могут быть предназначены для одной или более стадий в процессе короткоцикловой адсорбции.
[0048] В качестве примера, который дополнительно рассмотрен ниже, устройство 102 с адсорбционным слоем может включать в себя корпус, который может включать головную часть и другие корпусные части, которые образуют по существу не проницаемое для газа отделение, адсорбционный слой, расположенный внутри корпуса, и множество клапанов, обеспечивающих каналы для потока текучей среды через отверстия в корпусе между внутренней областью корпуса и местоположениями, находящимися снаружи по отношению к внутренней области корпуса. Адсорбционный слой может включать твердый адсорбирующий материал, способный адсорбировать один или более компонентов из сырьевого потока. Такие твердые адсорбирующие материалы выбирают таким образом, чтобы они были стойкими к физическим и химическим условиям в устройстве 102 с адсорбционным слоем, и могут включать металлические, керамические или другие материалы в зависимости от процесса адсорбции. Другие примеры адсорбирующих материалов описаны дополнительно ниже.
[0049] В качестве конкретного примера, на фиг.2 схематически представлен частичный вид традиционного устройства 200 с адсорбционным слоем. Устройство 200 с адсорбционным слоем включает в себя плоскую головку 202 с отверстиями под клапаны или клапанными окнами 204. Плоская головка 202 соединена с фланцевым цилиндрическим блоком или корпусом 206 посредством болтов 208, которые усечены в данном частичном виде. На данной схеме клапаны (не показаны) расположены в клапанных окнах 204. Эти клапанные окна находятся в пределах поперечного сечения поверхности раздела адсорбционного слоя, определяемого диаметром 210 и периметром 212.
[0050] Как показано в данном традиционном устройстве 200 с адсорбционным слоем, клапаны, которые размещаются в клапанных окнах 204, расположены непосредственно над адсорбционным слоем с периметром 212 (например, в пределах площади поперечного сечения поверхности раздела). Однако удаление плоской головки 202 для обеспечения доступа к адсорбирующему материалу в устройстве 200 с адсорбционным слоем включает удаление клапанов, связанных каналов и связанного коллектора для обеспечения доступа.
[0051] Для большинства процессов адсорбции с частыми циклами мертвый объем должен быть минимизирован. В качестве примера можно рассмотреть цикл обезвоживания для применений СПГ. В таком процессе цикл может включать в себя стадию подачи, на которой происходит адсорбция загрязнителей из сырьевого потока, и стадию регенерации, на которой происходит удаление загрязнителей путем пропускания потока продувки через адсорбционный слой, что может осуществляться в одну или большее число стадий продувки. Материально-технические ресурсы для такого процесса являются низкими, и избыточный мертвый объем может привести к процессу, который не будет удовлетворять техническим требованиям. Эта проблема особенно пагубно сказывается в процессах, которые включают колебания температуры как часть процесса, где температура нагревающей текучей среды уменьшается из-за потери тепла в избыточном мертвом объеме.
[0052] Кроме того, избыточный мертвый объем может быть более проблематичным на одном конце процесса. Например, избыточный мертвый объем на стороне продукта или на конце продукта может быть более неблагоприятным, чем избыточный мертвый объем на стороне подачи или загрузочном конце. Это является результатом чрезмерно большого мертвого объема на конце продукта, имеющего более холодный газ в пределах этого избыточного мертвого объема до начала стадии продувки. После начала продувки горячий продувочный газ в потоке продувки смешивается с охлажденным газом в избыточном мертвом объеме, что приводит к тому, что продувочный газ охлаждается по мере его поступления в адсорбционный слой. К сожалению, более холодный поток продувки не регенерирует адсорбционный слой так же эффективно, как более горячий поток продувки. Кроме того, дополнительный объем магистрали может увеличить площадь поверхности и тепловую массу, в которой горячий продувочный газ контактирует. Это приводит к увеличению потерь тепла от продувочного газа в окружающую среду (например, в область внутри устройства с адсорбционным слоем перед адсорбционным слоем), что также снижает эффективность регенерации адсорбционного слоя.
[0053] Негативный эффект избыточного мертвого объема на соответствующих концах адсорбционного слоя проиллюстрирован на фиг.3. На фиг.3 представлен график 300, показывающий различия в негативном эффекте избыточного мертвого объема на соответствующих концах адсорбционного слоя. График 300 включает отклики 306, 308 и 310, которые представляют собой смоделированные значения адсорбции H2O в миллимолях на грамм (ммоль/г) по оси 304 адсорбции относительно нормированной длины адсорбционного слоя (z/L) по оси 302. На этом графике 300 показан эффект теплопередачи между продувочным газом и металлической поверхностью избыточного мертвого объема посредством различных откликов 306, 308 и 310. Отклик 306 представляет собой смоделированный отклик (например, показанный сплошной линией), где мертвый объем минимизирован до 1,6 л, отклик 308 представляет собой смоделированный отклик (например, показанный пунктирной линией), где мертвый объем увеличивается до 19,2 л и рассматриваются оба вышеупомянутых эффекта, и отклик 310 представляет собой смоделированный отклик (например, показанный квадратами), где мертвый объем увеличивается, но рассматривается только первый вышеупомянутый эффект. Как показано на этом графике 300, основная проблема, связанная с увеличением мертвого объема на стороне продукта, заключается в повышении теплопотерь в окружающую среду, что приводит к более низкой температуре регенерации. Таким образом, если требуется дополнительный мертвый объем, необходимо предпринять шаги для уменьшения теплопередачи между продувочным газом и любым металлом, с которым он контактирует.
[0054] Как отмечалось выше, традиционная конфигурация устройства с адсорбционным слоем, показанная на фиг.2, может включать расположение клапанов с площадью поперечного сечения клапана, находящейся по меньшей мере частично в пределах площади поперечного сечения поверхности раздела. Например, устройство с адсорбционным слоем может быть установлено внутри вертикального цилиндра с плоскими фланцевыми головками с обоих концов. Тарельчатые клапаны могут использоваться для облегчения потока между адсорбционным слоем и внешними местоположениями и могут быть установлены непосредственно наверху плоских головок, что минимизирует мертвый объем для устройства с адсорбционным слоем. Зона смешивания представляет собой область между адсорбционным слоем и клапаном на соответствующих концах устройства с адсорбционным слоем. Во время нормальной работы сырьевой поток вводится через один из клапанов на верхней головке и отводится в виде очищенного продукта через один из клапанов на нижней головке. Аналогичным образом, во время стадии регенерации поток продувки вводится через один из клапанов на нижней головке и отводится из одного из клапанов на верхней головке. В зависимости от конкретного процесса в устройство с адсорбционным слоем могут вводиться и другие потоки. Кроме того, более одного клапана может использоваться для одной операции, или один единственный клапан может использоваться для нескольких операций.
[0055] В качестве примера, для такой конфигурации, описанной выше, могут рассматриваться только четыре операции для процесса. Соответственно, конфигурация может включать впуск для сырья и выпуск для продувки на верхней плоской головке и выпуск для продукта и впуск для продувки на нижней плоской головке. В каждой операции может использоваться один клапан, но другие конфигурации могут включать двухрежимные клапаны. Следует также отметить, что клапаны могут быть клапанами с активным управлением и/или клапанами с пассивным управлением. В данной конфигурации области между тарельчатыми клапанами и адсорбционным слоем представляют собой мертвые объемы. Эти мертвые объемы представляют собой зону смешивания, где потоки текучей среды из двух операций с обеих сторон сосуда смешиваются и происходит теплопередача к окружающему металлу. Следует иметь в виду, что для эффективной работы процесса зона смешивания предпочтительно сводится к минимуму. Однако из-за такой конфигурации доступ к адсорбирующему материалу, такому как адсорбционный слой, становится сложным, поскольку вся клапанная сборка должна быть удалена. Это удаление может быть трудоемким и может сокращать жизненный цикл оборудования, поскольку удаление клапанной сборки может включать удаление различных гидравлических соединений (например, от трех до семи для каждой клапанной сборки).
[0056] Способы настоящего изобретения обеспечивают варианты осуществления для преодоления ограничений доступа к адсорбирующему материалу в устройстве с адсорбционным слоем. Например, на фиг.4А и фиг.4В представлены схемы 400 и 420 части устройства с адсорбционным слоем, имеющей связанные с ней клапанные сборки в соответствии с альтернативными вариантами осуществления способов настоящего изобретения. Для каждой из схем 400 и 420 часть устройства с адсорбционным слоем, которая может использоваться в конфигурации с несколькими адсорбционными слоями, аналогичной показанной на фиг.1, включает корпус, который может включать адсорбционный слой 402, расположенный внутри цилиндрической стенки и цилиндрического изоляционного слоя 404, а также верхнюю головку 406 и нижнюю головку 408.
[0057] Верхняя головка 406 и нижняя головка 408 могут иметь различные конфигурации, таким образом, что одна из головок 406 или 408 может обеспечивать доступ к адсорбционному слою 402. Устройство с адсорбционным слоем соединено с различными коллекторами (не показаны) для подачи и отвода текучих сред в слой адсорбента и из него. На схемах 400 и 420 верхняя головка 406 не включает каких-либо клапанов, тогда как нижняя головка 408 содержит клапанные сборки, такие как клапанные сборки 412 и 414, соответственно (например, тарельчатые клапаны). Для верхней области адсорбционного слоя текучие среды входят или выходят из верхнего открытого объема для прохождения потока между головкой 406 и адсорбционным слоем 402 через клапанные конструкции, такие как клапаны 416 и 418, которые соединены через различные конфигурации каналов. Эти конфигурации каналов обсуждаются ниже на соответствующих схемах 400 и 420. Верхний или нижний открытый объем для прохождения потока между соответствующими головками 406 или 408 и адсорбционным слоем 402 может дополнительно содержать распределители потока (не показаны), которые непосредственно вводят текучие среды в адсорбционный слой 402 равномерным образом. Распределитель потока может включать перфорированную пластину, круглую пластину или другое устройство, которое распределяет поток по всему адсорбционному слою.
[0058] Если клапанные сборки 412, 414, 416-418 являются тарельчатыми клапанами, каждая может включать дисковый элемент, соединенный со штоковым элементом, который может быть расположен внутри втулки или направляющей клапана. Штоковый элемент может быть соединен с приводным средством, таким как приводное устройство (не показано), которое выполнено с возможностью передачи линейного движения к соответствующему штоку. Как можно понять, приводное устройство может работать независимо для различных стадий процесса для активации одного единственного клапана, или одно приводное средство может использоваться для регулирования двух или более клапанов. Кроме того, хотя отверстия могут быть по существу одинаковыми по размеру, отверстия и впускные клапаны для впускных коллекторов могут иметь меньший диаметр, чем для выпускных коллекторов, при условии, что объемы газа, проходящие через впускные отверстия, могут оказываться, как правило, меньше, чем объемы продукта, проходящие через выпускные отверстия.
[0059] В данной конфигурации поверхность раздела представляет собой концы адсорбционного слоя 402, примыкающие к клапанам 406 и 408. Площадь поперечного сечения поверхности раздела представляет собой площадь поперечного сечения адсорбционного слоя 402 на соответствующих концах возле головок 406 и 408. В данной конфигурации клапаны 412 и 414 расположены в пределах или частично в пределах площади поперечного сечения поверхности раздела, тогда как клапаны 416 и 418 расположены снаружи или за пределами площади поперечного сечения поверхности раздела, которая ограничена адсорбционным слоем 402. В дополнение к этому, площадь поперечного сечения клапанов определяется формой клапана, примыкающего к адсорбционному слою 402 (или ближайшей стороны к слою для клапанов за пределами площади поперечного сечения поверхности раздела), тогда как площадь поперечного сечения поверхности раздела определяется формой адсорбционного слоя 402. В данной конфигурации клапаны 412 и 414 находятся в прямом сообщении по потоку с каналом и выполнены с возможностью регулирования потока текучей среды вдоль пути потока, продолжающегося из местоположения, внешнего по отношению к корпусу, через канал и в адсорбционный слой 402, при этом клапаны 412 и 414 имеют площадь поперечного сечения клапана, расположенную по меньшей мере частично в пределах площади поперечного сечения поверхности раздела адсорбционного слоя 402, тогда как клапаны 416 и 418 имеют площадь поперечного сечения клапана, расположенную за пределами площади поперечного сечения поверхности раздела адсорбционного слоя 402.
[0060] Как отмечалось выше, клапаны 416 и 418 находятся за пределами периметра головки (например, имеют площадь поперечного сечения клапана, расположенную за пределами площади поперечного сечения поверхности раздела адсорбционного слоя 402). На схемах 400 и 420 различные конфигурации представлены с различными путями потока для текучих сред, поступающих в адсорбционный слой 402 и отводящихся из него. На схеме 400, клапаны 416 и 418 создают путь потока через канал 417, который является общим между этими клапанами. Поток текучих сред из этих клапанов 416 и 418 должен быть отклонен, чтобы следовать по преобладающему пути потока через адсорбционный слой. В данной конфигурации канал 417 представляет собой колено под углом 90°, соединенное с головкой 406 (например, верхней плоской головкой). Два клапана 416 и 418 установлены на другом конце этого колена. Канал может быть фланцевым, так что удаление этих фланцев может легко обеспечить доступ к головке 406 и адсорбционному слою 402, без необходимости удаления сборки клапанов 416 и 418. В данной конфигурации канал 417 попеременно подвергается воздействию теплого и холодного газовых потоков, протекающих через канал 417 к соответствующим клапанам 416 и 418. В результате, в данной конфигурации могут быть большие потери при теплопередаче.
[0061] На схеме 420 клапаны 416 и 418 создают путь потока через каналы 422 и 424, соответственно. Эти каналы 422 и 424 обеспечивают криволинейный путь потока из направления, по существу противоположного преобладающему пути потока. В связи с этим, поток текучих сред из этих клапанов 416 и 418 должен быть отклонен, чтобы следовать по преобладающему пути потока через адсорбционный слой 402. Эти каналы 422 и 424 изогнуты в U-образные изгибы, которые присоединены к головке 406, при этом каждый клапан 416 и 418 установлен на другом конце этих U-образных изгибов. U-образные изгибы могут быть фланцевыми, благодаря чему снятие этих фланцев может легко обеспечить доступ к головке 406 и адсорбционному слою 402, без необходимости удаления соответствующих клапанов 416 и 418. В данной конфигурации каждый канал 422 и 424 остается почти при одной и той же температуре в течении всего процесса, так как он подвергается воздействию движущейся текучей среды с почти постоянной температурой. Например, когда клапан продукта открыт, холодный газ протекает через канал, соединенный с этим клапаном, а другой канал функционирует почти так же, как тупиковый отвод. Аналогичным образом, когда впускной клапан продувки открыт, горячий продувочный газ протекает через канал, соединенный с этим клапаном, а другой канал функционирует почти так же, как тупиковый отвод. В связи с этим, потери тепла от потока продувочного газа минимальны. Зона смешивания также во многом ограничена узкой областью между головкой 406 и адсорбционным слоем 402. Хотя небольшое количество перемешивания может происходить в каналах 422 и 424, ожидается, что это не повлияет отрицательно на производительность.
[0062] В качестве дальнейшего улучшения могут быть реализованы дополнительные усовершенствования конфигурации устройства с адсорбционным слоем. Например, устройство с адсорбционным слоем может быть ориентировано в вертикальной осевой плоскости с неподвижными каналами, встроенными в корпус, которые дополнительно присоединены к серии быстродействующих клапанов технологического потока. Клапаны могут быть соединены с серией магистралей подачи и отведения продуктов. Самая верхняя граница устройства с адсорбционным слоем может заканчиваться болтовой крышкой (например, головки), используемой для доступа к внутренним элементам устройства с адсорбционным слоем, таким как адсорбционный слой, и механически поддерживает направляющую лопатку или отклонитель потока цельной формы. Кроме того, направляющая лопатка может быть выровнена с клапанами технологического потока, что обеспечивает механизм распределения пути газообразного потока в адсорбционный слой и из него. В дополнение к этому, самая нижняя граница устройства с адсорбционным слоем может заканчиваться в коллекторе, к которому дополнительно присоединена серия быстродействующих клапанов технологического потока. Нижний коллектор поддерживает аналогичную направляющую лопатку, имеющую такую же назначение, как и для верхней области.
[0063] Устройство с адсорбционным слоем включает в себя адсорбционный слой, который может иметь круглую, квадратную, прямоугольную или другую многоугольную форму поперечного сечения, выровненную в осевом направлении с вертикальной осью устройства с адсорбционным слоем. Адсорбционный слой может быть размещен в монолитной металлической оболочке или вкладыше, имеющем встроенное устройство распределения потока, расположенное на обоих концах адсорбционного слоя. Адсорбционный слой может быть концентрически установлен и выровнен в одну линию с верхним концом адсорбционного слоя посредством множества крепежных элементов. Опорная контактная поверхность может быть выполнена как одно целое с концентрическим уплотнительным кольцом, что предотвращает протекание газового потока в обход адсорбционного слоя. Нижний адсорбционный слой может заканчиваться концентрически выровненным с серией равномерно расположенных металлических зубцов, которые допускают тепловое расширение слоя в любом осевом направлении (например, посредством термокомпенсационного кольца). Зубцы могут ограничивать перемещение адсорбционных слоев в горизонтальной плоскости.
[0064] Кроме того, способы настоящего изобретения могут обеспечивать гибкие конфигурации технологического клапана. Например, способы настоящего изобретения могут включать альтернативные местоположения технологических клапанов, так например, клапаны на самой верхней границе могут быть расположены под любым желательным углом вокруг периметра корпуса. Кроме того, размещение клапана можно использовать для улучшения выравнивания потока по отношению к адсорбционному слою, когда противоположные клапаны нежелательны. Способы настоящего изобретения дополнительно предусматривают альтернативное размещение технологического клапана, как например, клапаны на самой нижней границе, которые могут быть расположены в любой желательной вертикальной ориентации, чтобы соответствовать желательным критериям мертвого объема.
[0065] Кроме того, способы настоящего изобретения могут быть использованы для улучшения рабочего цикла и приспособленности устройства с адсорбционным слоем к техническому обслуживанию и ремонту. Например, способы настоящего изобретения обеспечивают простой способ доступа, удаления и замены внутреннего адсорбционного слоя без сложных или механизированных устройств. После того, как основная опора будет снята с болтов, узел с адсорбционным слоем поднимается из устройства с адсорбционным слоем в вертикальной плоскости. Заменяющий узел адсорбционного слоя устанавливается в обратном порядке. Кроме того, клапаны технологического потока, расположенные непосредственно под адсорбционным слоем, могут быть защищены посредством улавливающего механизма (например, временной пленкой для задержки мусора). Пленка для задержки мусора может быть установлена через съемную закрывающую пластину. Защитная пленка для задержки мусора может уменьшить или исключить забивание клапана посторонним мусором во время операций эксплуатации и технического обслуживания устройства. Кроме того, в качестве другого преимущества, удаление и замена узла адсорбционного слоя без необходимости демонтажа технологических каналов, а также связанных технологических клапанов и их гидравлических сервисных систем, сокращает операции технического обслуживания и затраты.
[0066] Кроме того, способы настоящего изобретения дают различные стимулы экономии затрат по сравнению с традиционными устройствами с адсорбционным слоем. Например, традиционное устройство с адсорбционным слоем с аналогичным функционалом, имеющее крышки сосудов, которые оканчиваются специально изготовленными торцевыми фланцами сварного соединения с приподнятой поверхностью, предполагает размещение всех технологических клапанов на плоской закрывающей крышке, которая имеет значительную толщину для преодоления вертикального отклонения за счет придания клапанам динамических нагрузок и минимальной материальной связки между каждым технологическим клапаном. Для сравнения, в способах настоящего изобретения может использоваться простая пластина закрывающей крышки, имеющая минимальную толщину материала в предлагаемых конфигурациях. Соответственно, для обслуживания адсорбционного слоя традиционного устройства с адсорбционным слоем закрывающая крышка и все технологические клапаны и примыкающие каналы должны быть сняты для получения доступа внутрь. В то же время, в способах настоящего изобретения не требуется обязательный демонтаж клапанов технологического потока или прилегающих каналов при получении доступа к внутренним частям устройства с адсорбционным слоем. Кроме того, в традиционном устройстве с адсорбционным слоем может также требоваться сложное расположение каналов, идущих ко всем клапанам технологических потоков и от них, которые интегрируются в технологический трубопровод большого диаметра. Для сравнения, в способах настоящего изобретения используется простое компактное расположение труб. Совокупная экономия в объеме материала и компактной конфигурации звеньев трубопровода, которая указана выше, представляет собой непосредственную экономию в долларах, связанную с исходным изготовлением, дальнейшим техническим обслуживанием и долгосрочными затратами на эксплуатацию устройства.
[0067] Способы настоящего изобретения обеспечивают варианты осуществления для преодоления ограничений доступа к адсорбирующему материалу в устройстве с адсорбционным слоем. Например, на фиг.5A, фиг.5B, фиг.5C и фиг.5D представлены дополнительные схемы 500, 520, 540 и 560 части устройства с адсорбционным слоем, имеющей связанные с ней клапанные сборки в соответствии с альтернативными вариантами осуществления способов настоящего изобретения. Для каждой из схем 500, 520, 540 и 560 часть устройства с адсорбционным слоем, которое может использоваться в конфигурации, аналогичной показанной на фиг.1, включает корпус, который может включать цилиндрическую стенку 502 и цилиндрический изоляционный слой 504, а также верхнюю головку 506 и нижнюю головку 508. Адсорбционный слой 510 расположен между верхней головкой 506 и нижней головкой 508 и изоляционным слоем 504, что приводит к образованию верхней открытой зоны и нижней открытой зоны, которые включают в себя по существу открытый объем для прохождения потока. Открытый объем для прохождения потока в устройстве с адсорбционным слоем содержит газ, который нужно регулировать для различных стадий. Например, корпус может быть выполнен с возможностью поддержания давления в диапазоне от 0,1 бар абс. до 100 бар абс. (0,01-10 МПа абс.) во внутренней области.
[0068] Верхняя головка 506 и нижняя головка 508 могут иметь различные конфигурации, таким образом, что одна из головок 506 или 508 может обеспечивать доступ к адсорбционному слою 510. Устройство с адсорбционным слоем соединено с различными коллекторами (не показаны) для подачи и отвода текучих сред в слой адсорбента и из него. На схемах 500, 520, 540 и 560 верхняя головка 506 не включает каких-либо клапанов, тогда как нижняя головка 508 содержит отверстия, в которые могут быть вставлены клапанные конструкции, такие как клапанные сборки 512 и 514, соответственно (например, тарельчатые клапаны). Для верхней области адсорбционного слоя текучие среды поступают в или из верхнего открытого объема для прохождения потока между головкой 506 и адсорбционным слоем 510 через клапанные конструкции, такие как клапаны 516 и 518, которые соединены через различные конфигурации каналов. Эти конфигурации каналов обсуждаются ниже на соответствующих схемах 500, 520, 540 и 560. Верхний или нижний открытый объем для прохождения потока между соответствующими головками 506 или 508 и адсорбционным слоем 510 может дополнительно содержать распределители потока (не показаны), которые непосредственно вводят текучие среды в адсорбционный слой 510 равномерным образом. Распределитель потока может включать перфорированную пластину, круглую пластину или другое устройство, которое распределяет поток по всему адсорбционному слою.
[0069] Если клапанные сборки 512, 514, 516-518 являются тарельчатыми клапанами, каждая может включать дисковый элемент, соединенный со штоковым элементом, который может быть расположен внутри втулки или направляющей клапана. Штоковый элемент может быть соединен с приводным средством, таким как приводное устройство (не показано), которое выполнено с возможностью передачи линейного движения к соответствующему штоку. Как можно понять, приводное устройство может работать независимо для различных стадий процесса для активации одного единственного клапана, или одно приводное средство может использоваться для регулирования двух или более клапанов. Кроме того, хотя отверстия могут быть по существу одинаковыми по размеру, отверстия и впускные клапаны для впускных коллекторов могут иметь меньший диаметр, чем для выпускных коллекторов, при условии, что объемы газа, проходящие через впускные отверстия, могут оказываться, как правило, меньше, чем объемы продукта, проходящие через выпускные отверстия.
[0070] В данной конфигурации поверхность раздела является концом адсорбционного слоя 510, примыкающим к головкам 506 и 508. Площадь поперечного сечения поверхности раздела представляет собой площадь поперечного сечения адсорбционного слоя 510 на соответствующих концах возле головок 506 и 508. В данной конфигурации клапаны 512 и 514 расположены в пределах или частично в пределах площади поперечного сечения поверхности раздела, тогда как клапаны 516 и 518 расположены снаружи или за пределами площади поперечного сечения поверхности раздела, которая ограничена адсорбционным слоем 510. В дополнение к этому, площадь поперечного сечения клапанов определяется формой клапана, примыкающего к адсорбционному слою 510 (или ближайшей стороны к слою для клапанов за пределами площади поперечного сечения поверхности раздела), тогда как площадь поперечного сечения поверхности раздела определяется формой адсорбционного слоя 510. В качестве примера, на схеме 500, если клапан 512 является тарельчатым клапаном, имеющим круглый дисковый элемент, и адсорбционный слой 510 имеет форму круглой призмы, площадь поперечного сечения клапана для клапана 512 представляет собой площадь круга, имеющего диаметр 505, тогда как площадь поперечного сечения поверхности раздела для адсорбционного слоя 510 представляет собой площадь круга, имеющего диаметр 507. Аналогичным образом, если клапан 516 является тарельчатым клапаном, имеющим круглый дисковый элемент, площадь поперечного сечения клапана для клапана 516 является площадью круга, имеющего диаметр 509. В данной конфигурации клапаны 512 и 516 находятся в прямом сообщении по потоку с каналом и выполнены с возможностью регулирования потока текучей среды вдоль пути потока, продолжающегося из местоположения, внешнего по отношению к корпусу, через канал и в адсорбционный слой 510, при этом клапан 512 имеет площадь поперечного сечения клапана, расположенную в пределах площади поперечного сечения поверхности раздела адсорбционного слоя 510, и клапан 516 имеет площадь поперечного сечения клапана, расположенную за пределами площади поперечного сечения поверхности раздела адсорбционного слоя 510. В других конфигурациях клапаны 512 и 514 могут иметь площадь поперечного сечения клапана, расположенную по меньшей мере частично в пределах площади поперечного сечения поверхности раздела адсорбционного слоя 510.
[0071] Как отмечалось выше, клапаны 516 и 518 находятся за пределами периметра головки (например, имеют площадь поперечного сечения клапана, расположенную за пределами площади поперечного сечения поверхности раздела адсорбционного слоя 510). На схемах 500, 520, 540 и 560 различные конфигурации представлены с различными путями потока для текучих сред, поступающих в адсорбционный слой 510 и отводящихся из него. На схеме 500 клапаны 516 и 518 создают путь потока через каналы 517 и 519 соответственно. Поток текучих сред из этих клапанов 516 и 518 должен быть отклонен, чтобы следовать по преобладающему пути потока через адсорбционный слой. На схеме 520 клапаны 516 и 518 создают путь потока через каналы 522 и 524 соответственно. Эти каналы 522 и 524 обеспечивают криволинейный путь потока из направления, по существу противоположного преобладающему пути потока. В связи с этим, поток текучих сред из этих клапанов 516 и 518 должен быть отклонен, чтобы следовать по преобладающему пути потока через адсорбционный слой 510. На схеме 540 клапаны 516 и 518 создают путь потока через каналы 542 и 544 соответственно. Эти каналы 542 и 544 создают идущий под углом путь потока из направления, по существу совпадающего с преобладающим путем потока. В связи с этим, поток текучих сред из этих клапанов 516 и 518 может испытывать меньший перепад давления, в то время как он должен быть отклонен, чтобы следовать по преобладающему пути потока через адсорбционный слой 510. На схеме 560 клапаны 516 и 518 создают путь потока через каналы 562 и 564 соответственно. Эти каналы 562 и 564 создают криволинейный путь потока из направления, по существу совпадающего с преобладающим путем потока. В связи с этим, поток текучих сред из этих клапанов 516 и 518 может испытывать меньший перепад давления, в то время как он должен быть отклонен, чтобы следовать по преобладающему пути потока через адсорбционный слой 510.
[0072] Для дополнительного улучшения конфигурации структурные элементы могут быть использованы в проходе от клапана для обеспечения режима, близкого поршневому потоку в канале или проходе корпуса для клапана. Это может в некоторой степени уменьшить степень смешивания и соответствующие потери тепла. Эти конфигурации могут включать идущие под углом пути потока для управления фронтом температуры, когда потоки входят и выходят из адсорбционных слоев. Соответственно, угол и изгиб в канале или корпусе для потока в адсорбционный слой должны поддерживать режим, близкий поршневому потоку через изгиб. Соответственно, канал или корпус, который образует изгиб, может включать в себя различные структурные элементы, обеспечивающие балансировку перепада давления в режиме идеального вытеснения, и тепловую массу, участвующую в теплообмене. Например, на фиг.6А, фиг.6В, фиг.6С, фиг.6D и фиг.6Е представлен канал с различными структурными элементами в соответствии с вариантом осуществления способов по настоящему изобретению. На фиг.6А показана схема 600 канала со структурными элементами 602, 603, 604 и 605, которые используются для разделения внутреннего прохода на девять отдельных каналов. Кроме того, на фиг.6В показана схема 610 поперечного сечения для одного структурного элемента 612, разделяющего проход на два отдельных канала. На фиг.6С представлена схема 620 поперечного сечения для двух, по существу, параллельных структурных элементов 622 и 624, разделяющих проход на три отдельных канала. На фиг.6D представлена схема 630 поперечного сечения для двух пересекающихся структурных элементов 632 и 634 (например, перпендикулярных друг другу), разделяющих проход на четыре отдельных канала. На фиг.6Е представлена схема 640 поперечного сечения для двух параллельных структурных элементов 642 и 644 и одного перпендикулярного структурного элемента 646 относительно двух параллельных структурных элементов, выполненных с возможностью разделения прохода на шесть отдельных каналов.
[0073] В дополнение к этому, для областей за пределами адсорбционного слоя могут использоваться дополнительные элементы или структуры наполнителя для уменьшения мертвого объема. Структуры наполнителя могут включать материал наполнителя, каналы и/или перегородки, которые могут использоваться для регулирования пути потока и уменьшения мертвого объема в устройстве с адсорбционным слоем. К тому же, клапаны, например, клапанные сборки, могут быть выполнены с возможностью работы (например, открытия или закрытия) посредством общего приводного механизма, такого как подъемная пластина или другой приводной механизм, для различных потоков.
[0074] Предпочтительно, способы настоящего изобретения обеспечивают различные усовершенствования. Одним из усовершенствований является возможность смены адсорбционного слоя без удаления клапанов, каналов или коллекторов. Другое усовершенствование заключается в ограничении мертвого объема до приемлемого уровня, подходящего для достижения приемлемой производительности цикла. Еще одно усовершенствование заключается в поддержании приемлемого распределения потока на входе в адсорбционный слой.
[0075] Предпочтительно, способы настоящего изобретения обеспечивают различные усовершенствования. Одним из усовершенствований является возможность смены адсорбционного слоя без удаления клапанов, каналов или коллекторов. Другое усовершенствование заключается в ограничении мертвого объема до приемлемого уровня, подходящего для достижения приемлемой производительности цикла. Еще одно усовершенствование заключается в поддержании приемлемого распределения потока на входе в адсорбционный слой.
[0076] На фиг.7A, фиг.7B, фиг.7C, фиг.7D, фиг.7E и фиг.7F представлены схемы 700, 720, 740, 750, 760 и 770 приводимого в качестве примера устройства с адсорбционным слоем в соответствии с вариантом осуществления способов по настоящему изобретению. Эти схемы 700, 720, 740, 750, 760 и 770 представляют собой вариант осуществления устройства с адсорбционным слоем, показанного на схеме 560 фиг.5D. На схемах 700, 720, 740, 750, 760 и 770 корпус 702 показан вместе с клапанными отверстиями 704, 706, 708 и 710, верхней головкой 712 и нижней головкой 714. Клапанные отверстия 708 и 710 обеспечивают путь потока во внутреннюю область корпуса вдоль соответствующих изогнутых корпусных частей 709 и 711, которые могут быть отдельным каналом или изготовленной частью корпуса. Кроме того, структурный элемент 716 может использоваться для поддержки и стабилизации устройства с адсорбционным слоем во время работы. В данной конфигурации клапанные отверстия 704 и 706 расположены в пределах периметра головки 714, так что любой клапан, установленный в клапанные отверстия 704 и 706, имеет площадь поперечного сечения клапана, расположенную по меньшей мере частично в пределах площади поперечного сечения поверхности раздела. Клапанные отверстия 708 и 710 расположены за пределами периметра головки 712, так что любой клапан, установленный в клапанные отверстия 708 и 710, имеет площадь поперечного сечения клапана, расположенную за пределами площади поперечного сечения поверхности раздела.
[0077] На фиг.7А представлена схема 700 устройства с адсорбционным слоем в вертикальной проекции. На фиг.7В представлена схема 720 вида в разрезе устройства с адсорбционным слоем фиг.7А. На данной схеме 720 адсорбционный слой 722 расположен в пределах корпуса 702. Кроме того, головка 712 включает закрывающую крышку 724, отклонитель 726 потока сырья и прокладку 728, в то время как нижняя головка 714 включает отклонитель 730 потока продукта. Закрывающая крышка 724 уменьшает мертвый объем и препятствует потоку текучей среды в направлении головки 712, отклонитель 726 потока сырья направляет сырьевой поток из изогнутой корпусной части 709 или 711 к адсорбционному слою 722, и прокладка 728 обеспечивает механизм уплотнения, препятствующий потоку во внешние положения от головки 712. Отклонитель 730 потока продукта направляет поток продукта из адсорбционного слоя 722 к одному из клапанных отверстий 704 или 706. На фиг.7C представлена схема 740 устройства с адсорбционным слоем фиг.7А с пространственным разделением деталей. На данной схеме 740 показаны различные компоненты адсорбционного слоя 722 и головки 712. Например, внутреннее уплотнение 742 расположено между адсорбционным слоем 722 и корпусом 702, чтобы препятствовать потоку любых текучих сред и уменьшать или предотвращать обход текучей средой адсорбционного слоя 722. Кроме того, крепежные элементы 744 слоя используются для прикрепления адсорбционного слоя 722 к корпусу 702, тогда как крепежные элементы 746 используются для прикрепления головки 712 к корпусу 702. На фиг.7D представлена схема 750 вида в разрезе верхней части устройства с адсорбционным слоем фиг.7А, тогда как на фиг.7E представлена схема 760 альтернативного вида в разрезе верхней части устройства с адсорбционным слоем фиг.7А. На фиг.7F представлена схема 770 вида в разрезе нижней части устройства с адсорбционным слоем фиг.7А. На данной схеме 770 термокомпенсационное кольцо 772 расположено между адсорбционным слоем 722 и головкой 714. Термокомпенсационное кольцо 772 может представлять собой зажимное кольцо, которое закрепляет адсорбционный слой в концентрической конфигурации и предусмотрено против осевого термического расширения адсорбционного слоя 722.
[0078] Устройство с адсорбционным слоем на схемах 700, 720, 740, 750, 760 и 770 может использоваться для осуществления процессов короткоцикловой адсорбции. Например, процесс короткоцикловой адсорбции включает в себя стадию подачи и стадию регенерации (например, стадию продувки), которые образуют цикл. Стадия подачи может включать пропускание сырьевого потока через клапанное отверстие 708 в адсорбционный слой 722 и пропускание потока продукта через клапанное отверстие 704. Как только сырьевой поток прерывается, стадия регенерации может включать осуществление одной или более стадий сброса давления и/или одной или более стадий продувки. Стадия сброса давления может включать протекание текучих сред из адсорбционного слоя 722 через клапанное отверстие 710, в то время как стадия продувки может включать прохождение потока продувки через клапанное отверстие 706 в адсорбционный слой 722 и прохождение выпускного потока продувки из адсорбционного слоя 722 через клапанное отверстие 710. Следует иметь ввиду, что дополнительные технологические потоки могут быть включены в процесс с дополнительными клапанами в других вариантах осуществления.
[0079] Следует иметь ввиду, что направляющая лопатка или отклонитель потока для любой из головок может быть выполнена с возможностью регулирования потока текучих сред через адсорбционный слой или из адсорбционного слоя. Например, как показано на фиг.7В, угол отклонителя 726 потока сырья (например, направляющей лопатки в головке 712) может быть приблизительно равным углу соответствующей изогнутой корпусной части 709 или 711 (например, канала клапана), входящей во внутреннюю область, и этот угол может быть выбран таким образом, чтобы самая внутренняя поверхность канала и/или направляющей лопатки проецировалась линейно на противоположный край адсорбционного слоя 722, тем самым распределяя поток по всему адсорбционному слою 722. В других конфигурациях клапанные каналы, такие как изогнутые корпусные части 709 или 711, могут быть по существу перпендикулярны преобладающему направлению потока в адсорбционном слое и могут быть прямо противоположны друг другу (например, как показано на фиг.5А). В таких конфигурациях отклонитель потока или направляющая лопатка могут отклонять путь потока текучей среды для предотвращения направления потока из одного канала непосредственно ко входу и предотвращения вхождения в противоположный канал. Изогнутые каналы или корпусные части уменьшают любой перепад давления по мере того, как текучие среды проходят между каналами и адсорбционным слоем. Кроме того, помимо уменьшения перепада давления, изогнутая форма каналов клапанов или корпусных частей может использоваться для поддержания вертикальной ориентации для клапанов, что может уменьшать износ клапана (например, штока клапана) из-за неодинакового веса компонентов клапана.
[0080] На фиг.8A, фиг.8B и фиг.8C представлены схемы 800, 820 и 840 части устройства с адсорбционным слоем и связанного термокомпенсационного кольца в соответствии с вариантом осуществления способов по настоящему изобретению. Схемы 800, 820 и 840 включают адсорбционный слой 802 и часть термокомпенсационного кольца 804 в различных конфигурациях.
[0081] Например, на фиг.8A приводится схема 800 с частичным разрезом для иллюстративного варианта осуществления части адсорбционного слоя 802 и части термокомпенсационного кольца 804. Термокомпенсационное кольцо 804, которое находится в ненагруженном или расширенном состоянии, расположено между адсорбционным слоем 802 и корпусом или головкой (не показаны) устройства с адсорбционным слоем. На фиг.8B приводится схема 820 с частичным разрезом и пространственным разделением деталей для части адсорбционного слоя 802 и термокомпенсационного кольца 804 внутри корпуса 824 устройства с адсорбционным слоем. На этой схеме 820 термокомпенсационное кольцо 804 расположено между адсорбционным слоем 802 и головкой 822, но остается в ненагруженном или расширенном состоянии. На фиг.8C приводится схема 840 с частичным разрезом для части адсорбционного слоя 802 и термокомпенсационного кольца 804 внутри корпуса 824 устройства с адсорбционным слоем. На данной схеме 840 термокомпенсационное кольцо 804 расположено между адсорбционным слоем 802 и головкой 822 и находится в сжатом состоянии. Термокомпенсационное кольцо 804 включает в себя различные выемки 842 для обеспечения гибкости в нагруженном или сжатом состоянии.
[0082] Следует иметь ввиду, что термокомпенсационное кольцо 804 имеет различные усовершенствования для обеспечения поддержки адсорбционного слоя 802. Например, линия изгиба термокомпенсационного кольца выполнена с возможностью изгиба из ненагруженного состояния в сжатое состояние. Кроме того, выемки 842 в термокомпенсационном кольце 804 могут использоваться для уменьшения износа термокомпенсационного кольца 804. Кроме того, термокомпенсационное кольцо 804 может быть изготовлено из такого материала, как сталь.
[0083] На фиг.9A, фиг.9B, фиг.9C, фиг.9D, и фиг.9E представлены схемы 900, 920, 940, 960 и 970 улавливающих механизмов в соответствии с вариантом осуществления способов по настоящему изобретению. Эти улавливающие механизмы могут использоваться для отклонения постороннего мусора, который может попадать во внутреннюю область адсорбционного слоя во время операций технического обслуживания, таких как замена адсорбционного слоя. Улавливающий механизм может обеспечивать путь и доступ к материалу внутри нижней головки или части устройства с адсорбционным слоем.
[0084] Например, на фиг.9A и фиг.9B представлен иллюстративный вариант осуществления улавливающего механизма для устройства с адсорбционным слоем. На этих схемах 900 и 920 показана часть устройства с адсорбционным слоем, которое может быть одним из устройств с адсорбционным слоем на фиг.4А - фиг.4В, фиг.5А - фиг.5D или фиг.7А - фиг.7F. На этих схемах 900 и 920 часть устройства с адсорбционным слоем включает адсорбционный слой 902, расположенный внутри корпусной части или корпуса 904, и головку 906. Клапаны, такие как клапаны 908 и 910, прикреплены к головке 906 для создания путей прохождения текучей среды между адсорбционным слоем 902 и внешними местоположениями.
[0085] Для отклонения мусора в устройстве с адсорбционным слоем во время технического обслуживания может использоваться улавливающий механизм с обеспечением герметичности во время операций короткоцикловой адсорбции и для удаления мусора из внутренней области устройства с адсорбционным слоем. Улавливающий механизм может включать в себя отверстие 912 для технического обслуживания и пленку 914 для задержки мусора. На схеме 900 пленка 914 для задержки мусора помещается через отверстие 912 для технического обслуживания и располагается под углом, чтобы блокировать любой мусор, входящий во внутреннюю область и движущийся к головке 906, от поступления в клапаны 908 и 910 посредством улавливающей пластины 914. На схеме 920, пленка 914 для задержки мусора удаляется, и заглушка (не показана) устанавливается в отверстие 912 для технического обслуживания. Заглушка может использоваться для герметизации отверстия и для препятствия любому потоку текучей среды между отверстием 912 для технического обслуживания и местами, внешними по отношению к внутренней области устройства с адсорбционным слоем.
[0086] В качестве другого примера, на фиг.9C, фиг.9D и фиг.9E представлены иллюстративные варианты осуществления другого улавливающего механизма для устройства с адсорбционным слоем. На этих схемах 940, 960 и 970 показана часть устройства с адсорбционным слоем, которое может быть аналогичным устройствам с адсорбционным слоем на фиг.4А - фиг.4В, фиг.5А - фиг.5D или фиг.7А - фиг.7F, за исключением мест размещения нижних клапанов и соответствующей головки. На этих схемах 940, 960 и 970 часть устройства с адсорбционным слоем включает адсорбционный слой 942, расположенный внутри корпусной части или корпуса 944, и головку 946. Клапаны, такие как тарельчатые клапаны 948 и 950, прикреплены к головке 946 для обеспечения путей прохождения текучей среды между адсорбционным слоем 942 и внешними местоположениями.
[0087] Как и в приведенной выше конфигурации, может использоваться улавливающий механизм, чтобы обеспечить герметичность во время операций короткоцикловой адсорбции и удалять мусор из внутренней области устройства с адсорбционным слоем. Улавливающий механизм может включать в себя отверстие 952 для технического обслуживания и пленку 954 для задержки мусора, а также заглушку 956 улавливателя. На схеме 940 фиг.9С пленка 954 для задержки мусора помещается через отверстие 952 для технического обслуживания и располагается под углом, чтобы блокировать любой мусор, входящий во внутреннюю область и движущийся к головке 906, от поступления в клапаны 948 и 950 посредством пленки 954 для задержки мусора. Кроме того, заглушка 956 улавливателя отсоединяется от отверстия 952 технического обслуживания для обеспечения доступа к пленке 954 для задержки мусора и данной части устройства с адсорбционным слоем. На схеме 960 фиг.9D пленка 954 для задержки мусора удаляется, и заглушка 956 улавливателя устанавливается в отверстие 952 технического обслуживания посредством крепежных элементов. Заглушка 956 улавливателя может использоваться для герметизации отверстия и для препятствия любому потоку текучей среды между отверстием 952 для технического обслуживания и местами, внешними по отношению к внутренней области устройства с адсорбционным слоем. На схеме 970 фиг.9E показан вид сверху части устройства с адсорбционным слоем на фиг.9C и фиг.9D.
[0088] На фиг.10A, фиг.10B и фиг.10C представлены трехмерные схемы 1000, 1020 и 1040 системы короткоцикловой адсорбции, имеющей четыре устройства с адсорбционным слоем и соединительный трубопровод в соответствии с вариантом осуществления способов настоящего изобретения. Хотя данная конфигурация является конкретным примером модульного блока, эта конкретная конфигурация предназначена для иллюстративных целей, поскольку другие конфигурации могут включать различное число устройств с адсорбционным слоем.
[0089] В данной системе устройства с адсорбционным слоем, такие как устройство 1002 с адсорбционным слоем, могут быть выполнены с возможностью осуществления процесса короткоцикловой адсорбции для удаления загрязнителей из сырьевых потоков (например, текучих сред, газообразных или жидких). Например, устройство 1002 с адсорбционным слоем может включать в себя различные каналы (например, канал 1004) для регулирования потока текучих сред через, в или из адсорбционного слоя в устройстве 1002 с адсорбционным слоем. Эти каналы из устройства 1002 с адсорбционным слоем могут быть соединены с коллектором (например, коллектором 1006) для распределения течения потока в, из или между компонентами. Адсорбционный слой в устройстве с адсорбционным слоем может отделять один или более загрязнителей от сырьевого потока с образованием потока продукта. Как может быть понятно, устройства с адсорбционным слоем могут включать в себя другие каналы для регулирования других потоков текучих сред как часть процесса, таких как потоки продувки, потоки сброса давления, и тому подобное.
[0090] Данная конфигурация системы короткоцикловой адсорбции обеспечивает различные усовершенствования в работе процесса. Например, система включает в себя клапаны для одной из головок, например, верхней или первой головки 1008, расположенные во внешних местоположениях (например, за пределами периметра головки 1008 и площади поперечного сечения поверхности раздела адсорбционного слоя (не показано)). Другие клапаны для нижней или второй головки, такой как головка 1010, расположены по меньшей мере частично в пределах периметра второй головки или площади поперечного сечения поверхности раздела адсорбционного слоя. Таким образом, можно получить доступ к адсорбционному слою внутри устройств с адсорбционным слоем без необходимости удаления каких-либо клапанов, каналов и/или коллекторов.
[0091] На фиг.11A, фиг.11B, фиг.11C, фиг.11D, фиг.11E и фиг.11F представлены схемы 1100, 1110, 1120, 1130, 1140 и 1150 частей устройств с адсорбционным слоем, имеющих альтернативные клапанные сборки и коллекторы в соответствии с вариантом осуществления способов по настоящему изобретению. Альтернативные конфигурации клапанов могут использоваться для управления распределением оборудования на модульном блоке.
[0092] Например, на фиг.11A и фиг.11B представлен иллюстративный вариант осуществления первого альтернативного варианта осуществления части устройства с адсорбционным слоем. На этих схемах 1100 и 1110 показана часть устройства с адсорбционным слоем, которое может быть одним из устройств с адсорбционным слоем на фиг.4А - фиг.4В, фиг.5А - фиг.5D или фиг.7А - фиг.7F. На этих схемах 1100 и 1110 часть устройства с адсорбционным слоем включает внутреннюю область 1102 для размещения адсорбционного слоя (не показан), расположенную внутри корпусной части или корпуса 1104, и головку 1106. Клапаны, такие как тарельчатые клапаны 1107 и 1108, прикреплены к головке 1106 для обеспечения путей прохождения текучей среды между адсорбционным слоем и внешними местоположениями. Клапаны в данной конфигурации расположены как непротивоположные клапаны на одной и той же рабочей плоскости. На схеме 1100 показан вид сверху части устройства с адсорбционным слоем, тогда как на схеме 1110 фиг.11В показан вид сбоку части устройства с адсорбционным слоем. На данной схеме 1110 улавливающий механизм 1112 расположен в нижней части головки 1106, который может работать, как описано выше со ссылкой на фиг.9А - фиг.9Е.
[0093] В качестве другого примера, на фиг.11C и фиг.11D представлен иллюстративный вариант осуществления второго альтернативного варианта осуществления части устройства с адсорбционным слоем. На этих схемах 1120 и 1130 показана часть устройства с адсорбционным слоем, которое может быть одним из устройств с адсорбционным слоем на фиг.4А - фиг.4В, фиг.5А - фиг.5D, фиг.7А- фиг.7F или фиг.8C - фиг.8E. На этих схемах 1120 и 1130 часть устройства с адсорбционным слоем включает адсорбционный слой 1122, расположенный внутри корпусной части или корпуса 1124, и головку 1126. Клапаны, такие как тарельчатые клапаны 1127 и 1128, прикреплены к головке 1126 для обеспечения путей прохождения текучей среды между адсорбционным слоем и внешними местоположениями. Клапаны в данной конфигурации расположены в качестве альтернативного размещения клапанов в противоположных направлениях. На схеме 1120 показан вид сверху части устройства с адсорбционным слоем, тогда как на схеме 1130 показан вид сбоку части устройства с адсорбционным слоем. На данной схеме 1130 улавливающий механизм 1132 расположен в нижней части головки 1126, который может работать, как описано выше со ссылкой на фиг.9С - фиг.9Е.
[0094] В качестве другого примера, на фиг.11E и фиг.11F представлен иллюстративный вариант осуществления третьего альтернативного варианта осуществления части устройства с адсорбционным слоем. На этих схемах 1140 и 1150 показана часть устройства с адсорбционным слоем, которое может быть одним из устройств с адсорбционным слоем на фиг.4А - фиг.4В, фиг.5А - фиг.5D, фиг.7А - фиг.7F. На этих схемах 1140 и 1150 часть устройства с адсорбционным слоем включает адсорбционный слой 1142, расположенный внутри корпусной части или корпуса 1144, и головку 1146. Клапаны, такие как тарельчатые клапаны 1147 и 1148, прикреплены к головке 1146 для обеспечения путей прохождения текучей среды между адсорбционным слоем и внешними местоположениями. Клапаны в данной конфигурации расположены в качестве альтернативного размещения в одной и той же рабочей плоскости. На схеме 1140 показан вид сверху части устройства с адсорбционным слоем, тогда как на схеме 1150 показан вид сбоку части устройства с адсорбционным слоем.
[0095] В еще одной конфигурации, на фиг.12 представлена трехмерная схема 1200 устройства 1202 с адсорбционным слоем, расположенного в системе акустического демпфирования, в соответствии с вариантом осуществления способов по настоящему изобретению. В данной конфигурации устройство 1202 с адсорбционным слоем включает в себя различные тарельчатые клапаны, такие как клапаны 1204, 1205, 1206 и 1207. Работа этих тарельчатых клапанов в процессе короткоцикловой адсорбции с частыми циклами может создавать большое количество акустических шумов. Соответственно, может использоваться система акустического демпфирования для подавления звука, производимого устройством с адсорбционным слоем 1202. Система акустического демпфирования может включать в себя различные акустические панели 1210, 1212, 1214, 1216, 1218 и 1220, расположенные вокруг устройства 1202 с адсорбционным слоем. Эти акустические панели 1210, 1212, 1214, 1216, 1218 и 1220 могут быть выполнены с возможностью отражения акустических волн внутри системы акустического демпфирования или могут быть выполнены с возможностью поглощения части акустических волн, образуемых устройством с адсорбционным слоем.
[0096] Как может быть понятно, система акустического демпфирования также может включать различные усовершенствования. Например, могут быть предусмотрены дополнительные панели, окружающие акустические панели 1210, 1212, 1214, 1216, 1218 и 1220, образуя второй слой акустического демпфирования вокруг первого слоя акустического демпфирования (например, акустические панели 1210, 1212, 1214, 1216, 1218 и 1220). Кроме того, в качестве другого примера, могут быть расположены одна или более камер, окружающих клапаны 1204, 1205, 1206 и 1207.
[0097] Как можно понять, настоящее изобретение может использоваться для улучшения способов короткоцикловой адсорбции. В качестве примера, способ удаления загрязнителей из сырьевого потока может включать осуществление одной или более стадии адсорбции и одной или более стадии продувки. При осуществлении одной или более стадии адсорбции в устройстве с адсорбционным слоем каждая из стадий адсорбции может включать (i) открытие множества тарельчатых клапанов сырья для пропускания газообразного сырьевого потока из впускного канала сырья в адсорбционный слой, расположенный во внутренней области корпуса устройства с адсорбционным слоем, (ii) подвергание газообразного сырьевого потока воздействию адсорбционного слоя для отделения одного или более загрязнителей от газообразного сырьевого потока с образованием потока продукта, и (iii) открытие одного или более тарельчатых клапанов продукта для отведения потока продукта из внутренней области в корпусе в канал продукта. Каждый из множества тарельчатых клапанов сырья может находиться в прямом сообщении по потоку с впускным каналом сырья и может быть выполнен с возможностью регулирования потока текучей среды вдоль пути потока, продолжающегося из местоположения, внешнего по отношению к корпусу, через впускной канал сырья и в адсорбционный слой. Кроме того, по меньшей мере один из множества тарельчатых клапанов для одного конца адсорбционного слоя имеет площадь поперечного сечения клапана, расположенную за пределами площади поперечного сечения поверхности раздела адсорбционного слоя. На другом или втором конце, по меньшей мере один из множества тарельчатых клапанов для другого конца адсорбционного слоя имеет площадь поперечного сечения клапана, расположенную по меньшей мере частично в пределах площади поперечного сечения поверхности раздела адсорбционного слоя. В дополнение к этому, при осуществлении одной или более стадии продувки, каждая из одной или более стадий продувки может включать пропускание потока продувки в устройство с адсорбционным слоем для отведения по меньшей мере части одного или более загрязнителей с выходящим потоком продувки. Затем стадии адсорбции и продувки могут повторяться в течение по меньшей мере одного дополнительного цикла, при этом продолжительность цикла составляет более 1 с и менее 600 с.
[0098] Кроме того, способ может включать в себя и другие усовершенствования. Например, способ может включать перемещение общего приводного механизма для открытия множества клапанов; пропускание газообразного сырьевого потока по пути потока вокруг материала наполнителя, примыкающего к адсорбционному слою; распределение газообразного сырьевого потока в адсорбционный слой через распределитель потока, расположенный между адсорбционным слоем и множеством тарельчатых клапанов сырья; и/или линейное перемещение посредством приводного механизма подачи сырья по меньшей мере одного штока клапана подачи, чтобы обеспечить отверстие для подачи между дисковым элементом подачи, соединенным с по меньшей мере одним штоком клапана подачи, и седлом для подачи, прикрепленным к корпусу устройства с адсорбционным слоем. В дополнение к этому, способ может включать цикл продолжительностью в течение периода времени более 1 с и менее 90 с для отделения одного или более загрязнителей от газообразного сырьевого потока с образованием потока продукта; обеспечение газообразного сырьевого потока, который представляет собой углеводородсодержащий поток, имеющий более 1 об.% углеводородов, в расчете на общий объем сырьевого потока; и/или поддержание давления подачи во время стадии адсорбции в диапазоне от 400 фунт/кв.дюйм абс. до 1400 фунт/кв.дюйм абс. (2,8-9,6 МПа абс.).
[0099] Для изготовления систем и/или устройств с адсорбционным слоем могут использоваться различные способы изготовления. В качестве примера, способ изготовления короткоциклового устройства с адсорбционным слоем может включать в себя: формирование корпуса, имеющего внутреннюю область, причем корпус содержит корпусную часть, первую головку и вторую головку; помещение адсорбционного слоя во внутреннюю область корпуса; закрепление множества первых клапанов в первой головке; прикрепление второго множества клапанов к корпусу на конце около второй головки, при этом вторая головка не имеет каких-либо клапанов; при этом каждый из множества первых и вторых клапанов выполнен с возможностью регулирования потока текучей среды вдоль пути потока, продолжающегося из местоположения, внешнего по отношению к корпусу, в адсорбционный слой, при этом по меньшей мере один из множества первых клапанов имеет площадь поперечного сечения клапана, расположенную по меньшей мере частично в пределах площади поперечного сечения поверхности раздела адсорбционного слоя, и при этом каждый из множества вторых клапанов имеет площадь поперечного сечения клапана, расположенную за пределами площади поперечного сечения поверхности раздела адсорбционного слоя и/или площади поперечного сечения второй головки.
[0100] В одном или более вариантов осуществления материал может включать адсорбирующий материал, нанесенный на неадсорбирующую основу. Неограничивающие примеры адсорбирующих материалов могут включать оксид алюминия, микропористые цеолиты, технический уголь, катионные цеолиты, цеолиты с высоким содержанием диоксида кремния, высококремнеземистые упорядоченные мезопористые материалы, золь-гелевые материалы, материалы, содержащие алюминий, фосфор и кислород (ALPO) (микропористые и мезопористые материалы, содержащие преимущественно алюминий, фосфор и кислород), материалы, содержащие кремний, алюминий, фосфор и кислород (SAPO) (микропористые и мезопористые материалы, содержащие преимущественно кремний, алюминий, фосфор и кислород), металлоорганические каркасные (MOF) материалы (микропористые и мезопористые материалы, состоящие из металлорганического каркаса), и цеолитовые имидазолатные каркасные (ZIF) материалы (микропористые и мезопористые материалы, состоящие из цеолитового имидазолатного каркаса). Другие материалы включают микропористые и мезопористые сорбенты, функционализированные функциональными группами. Примеры функциональных групп, которые могут использоваться для удаления CO2, могут включать первичные, вторичные, третичные и другие непротонные основные группы, такие как амидины, гуанидины и бигуаниды.
[0101] В одном или более вариантов осуществления устройство с адсорбционным слоем может использоваться для отделения загрязнителей от сырьевого потока. Способ может включать пропускание газообразного сырьевого потока при давлении подачи через устройство с адсорбционным слоем, имеющее адсорбентный контактор для отделения одного или более загрязнителей от газообразного сырьевого потока с образованием потока продукта; прерывание течения потока газообразного сырья; осуществление стадии сброса давления, при этом стадия сброса давления уменьшает давление внутри устройства с адсорбционным слоем; осуществление стадии продувки, при этом стадия продувки уменьшает давление внутри устройства с адсорбционным слоем; осуществление стадии повторного создания давления, при этом стадия повторного создания давления повышает давление внутри устройства с адсорбционным слоем; и повторение стадий а) - e) в течение по меньшей мере одного дополнительного цикла.
[0102] Кроме того, в одном или более вариантах осуществления устройство с адсорбционным слоем может включать в себя адсорбционный слой, который может использоваться для выделения целевого газа из газообразной смеси. Адсорбент обычно состоит из адсорбирующего материала, нанесенного на неадсорбирующую основу или контактор. Такие контакторы содержат по существу параллельные каналы потока, при этом 20 об.%, предпочтительно 15 об.% или менее объема открытых пор контактора, исключая каналы потока, находится в порах более примерно 20 ангстрем. Каналом потока является та часть контактора, в которой происходит течение газа при приложении стационарной разности давлений между точкой или местом, в которых сырьевой поток входит в контактор, и точкой или местом, в которых поток продукта покидает контактор. В контакторе адсорбент включен в стенку канала потока.
[0103] В еще одном варианте осуществления описано короткоцикловое устройство с адсорбционным слоем для удаления загрязнителей из газообразного сырьевого потока. Устройство с адсорбционным слоем содержит: корпус, образующий внутреннюю область; адсорбционный слой, расположенный внутри внутренней области; и множество клапанов, прикрепленных к корпусу, при этом каждый из множества клапанов выполнен с возможностью регулирования потока текучей среды вдоль пути потока, продолжающегося из местоположения, внешнего по отношению к корпусу, через канал и в адсорбционный слой, причем одна из головок не имеет каких-либо клапанов, расположенных в пределах периметра головки или в пределах поперечного сечения головки.
[0104] Кроме того, устройства с адсорбционным слоем могут включать в себя тарельчатые клапаны с активным управлением и клапаны с пассивным управлением. Каждый из тарельчатых клапанов с активным управлением, которые могут называться тарельчатыми клапанными сборками с активным управлением, может включать штоковый элемент, прикрепленный к дисковому элементу, который может быть выполнен с возможностью посадки внутри головки, или к дисковому элементу, который может быть выполнен с возможностью посадки в отдельное клапанное седло, вставленное в головку. Штоковый элемент может быть соединен с приводным механизмом, таким как электрогидравлические или электропневматические приводные механизмы, который выполнен с возможностью передачи линейного движения между соответствующим клапаном и соответствующим штоковым элементом. Как можно понять, приводной механизм может работать независимо для различных стадий процесса для приведения в действие одного клапана, или один приводной механизм может использоваться для регулирования двух или более клапанов. Например, открытие активно управляемого тарельчатого клапана может включать линейное перемещение посредством приводного механизма по меньшей мере одного клапанного штока, чтобы обеспечить отверстие между дисковым элементом, соединенным с по меньшей мере одним клапанным штоком, и седлом, прикрепленным к корпусу устройства с адсорбционным слоем. В качестве другого примера, открытие активно управляемых тарельчатых клапанов может включать линейное перемещение подъемной пластины, прикрепленной к клапанным штокам, посредством приводного механизма для создания отверстий, при этом каждый из клапанных штоков прикреплен к дисковому элементу, и каждое из отверстий образует зазор или путь потока между дисковым элементом и соответствующим седлом, прикрепленным к корпусу устройства с адсорбционным слоем.
[0105] Клапан с пассивным управлением может включать в себя тарельчатые клапаны с пассивным управлением, контрольные клапаны с пассивным управлением, пластинчатые клапаны с пассивным управлением и другие подходящие клапаны с пассивным управлением. Например, каждый из тарельчатых клапанов с пассивным управлением, которые могут называться тарельчатыми клапанными сборками с пассивным управлением, может включать штоковый элемент, прикрепленный к дисковому элементу, который может быть выполнен с возможностью посадки внутри головки, или к дисковому элементу, который может быть выполнен с возможностью посадки в отдельное клапанное седло, вставленное в головку. Штоковый элемент может быть соединен с механизмом смещения, таким как пружина или другие механизмы смещения, который выполнен с возможностью передачи линейного движения между соответствующим клапаном и соответствующим штоковым элементом. Как можно понять, механизм смещения может работать независимо для различных стадий процесса и может быть активирован на основе перепада давления для приведения в действие одного клапана или двух или более клапанов. Одна конфигурация пассивно управляемого тарельчатого клапана может включать оснащенный пружиной пассивно управляемый тарельчатый клапан. В данной конфигурации с пружиной дисковый элемент может быть объединен с полым штоковым элементом, который имеет пружины, расположенные по меньшей мере частично внутри полого штокового элемента. В качестве примера, открытие пассивно управляемых тарельчатых клапанов может включать линейное перемещение посредством механизма смещения для продукта по меньшей мере одного штока клапана продукта, чтобы обеспечить отверстие для продукта между дисковым элементом продукта, соединенным с по меньшей мере одним штоком клапана продукта, и седлом для продукта, прикрепленным к корпусу устройства с адсорбционным слоем. Механизм смещения для продукта может быть выполнен с возможностью линейного перемещения на основе перепада давления между внутренней областью и каналом продукта, превышающего определенный порог. В других конфигурациях линейное перемещение на основе перепаде давления может быть различным для разных клапанов, работающих синфазно. Например, пассивно управляемые клапаны, работающие синфазно, могут включать диапазон или дифференциальное окно менее 25%, менее 20% или менее 10% (например, дифференциальное окно может быть рассчитано как самый высокий перепад давления минус самый низкий перепад давления, где данная разность делится на самый высокий перепад давления). В качестве другого примера, пассивно управляемый клапан также может быть выполнен в виде пластинчатого клапана, состоящего из гибкой полоски из металла или композиционного материала, закрепленной на одном конце и согнутой, чтобы открывать пассивно регулируемую область потока. Пассивно управляемый пластинчатый клапан может использоваться для обеспечения большего потока при данном перепаде давления на данной установочной площади.
[0106] В одном или более вариантов осуществления процесс короткоцикловой адсорбции с частыми циклами в способах по настоящему изобретению представляет собой адсорбцию с перепадом температуры с частыми циклами (RCTSA) и адсорбцию с перепадом давления (PSA). Для RCTSA общее время цикла обычно составляет менее 600 с, предпочтительно менее 200 с, более предпочтительно менее 100 с, и еще более предпочтительно менее 60 с.
[0107] Принимая во внимание многие возможные варианты осуществления, к которым могут быть применены принципы описанного изобретения, необходимо отметить, что проиллюстрированные варианты осуществления являются лишь предпочтительными примерами изобретения и не должны рассматриваться как ограничивающие объем изобретения.
Реферат
Изобретение может быть использовано в газоочистке. Предложены устройство и системы для осуществления способа короткоцикловой адсорбции. Устройство короткоцикловой адсорбции содержит закрепленный между первой и второй головкой корпус с внутренней областью, в которой расположен адсорбционный слой, и множество клапанов, расположенных за пределами периметра соответствующей головки. Устройство с адсорбционным слоем обеспечивает возможность удаления и замены адсорбционного слоя посредством доступа к внутренней области посредством удаления первой головки без удаления клапанов из корпуса. 2 н. и 20 з.п. ф-лы, 12 ил.
