用于吸附气体分离过程的颗粒吸附床的低压降结构的利记博彩app
【技术领域】
[0001] 本发明涉及用于气体分离过程的吸着剂床结构以及这样的结构用于气体分离、例 如用于从气流中分离/捕集〇)2的用途。
【背景技术】
[0002] 通过吸附进行的气体分离在工业中有许多不同的应用，例如从气流中移出特定的 组分，其中期望的产品可以是从所述流中移出的组分、剩余的贫流或两者。由此痕量组分以 及气流的主要组分两者都可以是吸附过程的目标。
[0003] -个重要应用是从气流、例如从烟道气、排放气体、工业废气或大气空气中捕集二 氧化碳（CO2)。
[0004] 直接从大气捕集CO2 (也称为直接空气捕集（DAC))是减轻人为温室气体排放的几 种手段之一，并且具有作为用于商品市场和用于制造合成燃料的非化石的位置独立性CO2源的有吸引力的经济前景。从大气中捕集〇)2的具体优点包括：（i) DAC可以解决分布式源 (例如汽车、飞机）的排放，其占据世界范围内温室气体排放的大部分，并且目前不能以经 济可行的方式在排放地点捕集；（ii)DAC可以解决过去的排放，并因此可以产生真实的负 排放；（iii)DAC系统不需要被附着至排放源，而是位置独立性的，并且例如可以位于其他 CO2处理场所；和（iv)如果从大气捕集的CO2用于由可再生能源生产合成烃类燃料，则可以 获得用于运输行业的真正的非化石燃料，其不产生向大气的净〇)2排放或产生非常少的净 CO2排放。
[0005] 近来已经开发了基于各种技术方式的几种DAC方法。例如，US 8, 163,066 B2公 开了二氧化碳捕集/再生结构和技术；US 2009/0120288 Al公开了一种用于从空气中移出 二氧化碳的方法；US 2012/0174778公开了一种利用垂直升降机的二氧化碳捕集/再生方 法；以及W02010022339公开了一种二氧化碳捕集方法和设备。
[0006] -个具体的方式基于固体的、化学功能化的吸着剂材料上的循环吸附/脱附过 程。例如，在W02010/091831中，公开了基于胺功能化的固体吸着剂材料以及利用该材料的 循环吸附/脱附过程的用于从环境空气提取二氧化碳的结构。
[0007] 其中，吸附过程在其中空气流过吸着剂材料并且包含在空气中的CO2的一部分被 化学结合在吸着剂的胺功能化表面的环境条件下进行。在之后的脱附期间，该材料被加热 到约50至110°C，并且通过施加真空或将吸着剂暴露于吹扫气流来降低吸着剂周围的二氧 化碳的分压。由此，从吸着剂材料中移出并以富集形式获得之前捕集的二氧化碳。
[0008] 在W02012/168346A1中，公开了一种基于胺官能化纤维素的吸着剂材料，其可以 用于上述过程。
[0009] -般而言，对于基于吸附的气体分离过程，期望对气流几乎不产生压降的吸着剂 材料的构造以使栗送气体所需的能量最小化并且同时在吸着剂和气流之间实现最大接触 以使要从气流中移出的组分的传质速率最大化。典型的构造包括具有几十厘米至几米的典 型长度的填充床柱或流化床，其通常对气流造成几千帕斯卡至最多几巴的压降。
[0010] 如果从气流中移出痕量组分，则对压降的要求可能变得甚至更为苛刻。特别地，所 有的DAC方式都具有一个共同的主要挑战，即必须要使非常大的空气体积穿过任何捕集系 统以从空气中提取一定量的CO2。其原因是大气空气中的CO2的浓度非常低，目前为390至 400ppm，即大致为0· 04%。因而，为了从大气中提取1公吨CO2，必须使至少约1400000立 方米的空气穿过捕集系统。这进而意味着在经济上可行的捕集系统必须对穿过它们的空气 流具有非常低的压降。否则，用于栗送空气的能量需求会使该系统不经济。然而，任意的低 压降构造不应损害系统的传质性能。
[0011] 虽然对于DAC过程具有有前景的性能的许多材料通常为颗粒形式，但是将它们布 置在具有通常几十厘米至几米的长度的常规填充床柱或流化床中通常会是不可行的，原因 是所产生的压降会超过容许极限一个或几个量级。
[0012] 另一方面，在用于气流的颗粒过滤器的领域、特别是用于排放气体的灰颗粒过滤 器的领域中，开发了通常被称为"壁流"过滤器的通道式过滤器结构，参见例如EP 0 766 993 A2。在这些结构中，气流通过入口通道进入结构，穿过多孔壁，并且通过出口通道离开 结构，其中灰颗粒被截留在多孔壁处。
[0013] 在气体分离和吸附的情形中也开发了包含吸着剂材料的整体结构（例如 W02010/027929 A1、US 8,202,350 B2)。
【发明内容】
[0014] 本发明涉及一种用于通过吸附进行气体分离的颗粒状吸着剂床的结构，所述结构 能够实现在穿过该结构的气流上的非常低的压降和在气相和吸着剂材料表面之间的非常 高的传质速率两者。本发明结构的基本原理是其中吸着剂材料的颗粒形成非常短的填充床 的布置，例如长度为〇. 5至2. 5cm，待分离的气流穿过该填充床。然而，以单层布置的这样的 床导致非常大的、在技术和经济上不可行的总吸附系统的几何结构。
[0015] 相应地，提出了一种用于用于从包含第一气体、通常为二氧化碳以及不同于所述 第一气体的其它气体的混合物、通过为空气或烟道气的混合物中分离第一气体的气体吸附 单元，所述气体吸附单元用于循环吸附/脱附过程并且还使用用于气体吸附的松散颗粒状 吸着剂材料。在该单元中，所述颗粒状吸着剂材料布置在至少两个堆叠层中，并且每个层都 包括能透气的但是不能透过松散颗粒状吸着剂材料的两个柔性织物材料片，所述片或者安 装在刚性框结构上或者利用它们之间的间隔物或间隔元件以自支撑方式形成层，它们大致 平行地布置从而限定层的入口面和层的出口面，布置的距离为0. 5至2. 5cm，并且包围颗粒 状吸着剂材料位于其中的腔。所提出的单元具有供气体混合物的流入物进入的气体入口侧 或气体入口歧管和供气体流出物离开单元的气体出口侧或气体出口歧管，流入物和流出物 之间的气体通路被限定在单元内以穿过至少一个层。换言之，进入单元的气体在任何情况 下都必须穿过所述层中的一个并且在标准吸附操作中没有旁路，旁路可以通过相应的阀实 现以用于清洁和/或脱附过程。
[0016] 所述层以如下方式布置在单元中：流入物穿过入口面，然后穿过位于各个层的腔 中的颗粒状吸着剂材料，然后通过出口面离开各个层（以形成气体流出物）。另外，层以如 下方式布置：相邻的层的入口面彼此面对从而包围气体入口通道并且出口面彼此面对从而 包围出口通道。在大致垂直于主气体流入物方向和主气体流出物方向的方向上测量的在限 定所述通道的入口面和/或出口面之间的平均距离（定义为面对这些面的全表面范围内的 距离的平均值）分别为0.5至5cm。而且，在平行于主气体流入物方向和主气体流出物方向 的方向上入口面和/或出口面的长度分别为所述层中的片之间的距离的至少10倍（或甚 至为 40、50、80 或 100 倍）。
[0017] 与本发明提出的单元不同，现有技术的单元（例如参见W02009/148872 A2、 US6, 379, 437 BI)使用包埋到供气流穿过直的流通式通道的结构化吸附床中的颗粒状吸着 剂材料。在这些吸附床构造中，必须通过大致垂直于气流的流动方向的扩散将待通过吸附 从气流中移出的物质从气流输送到吸附剂材料。在这些装置中并未迫使气流在离开装置前 穿过相应的吸着剂材料层。然而，如果待从气流中移出的物质的浓度非常低（例如空气中 的CO2)，则从气流到吸着剂床的浓度梯度小，这限制可实现的传质速率并且需要长的停留 时间，进而可使该过程变得不经济。
[0018] 利用本发明公开的其中引导并迫使气流穿过由粒状吸着剂材料构成的通道的结 构，可以克服由扩散引起的传质限制，并且相对于现有技术可以显著增加从空气流到吸着 剂材料表面的例如CO2的传质速率。同时，与常规的填充柱床构造相反，可以使本发明结构 上的压降保持得低。
[0019] 此外，由于一些现有技术如W02009/148872 A2依赖于所吸附的物质从主气流到 吸着剂材料层中的扩散，所以这些现有技术结构的吸着剂材料层的厚度通常被建议为非常 小，即优选3mm，以使传质限制最小化。然而，这样的薄吸着剂材料层制造昂贵且精细，并且 不耐久。本发明的一个重要优点在于如下事实：以如下方式采用可更容易制造的结构、即包 含比现有技术建议的更厚的吸着剂材料层（例如0. 5至2. 5cm)的结构：不损害待吸附到吸 着剂材料表面的物质的传质（因为气流穿过吸着剂材料层），而如果利用更厚的、可更容易 制造的吸着剂材料层实施基于扩散的现有技术结构会损害待吸附到吸着剂材料表面的物 质的传质。
[0020] 另外的现有技术装置（例如TO2010/027929 AU US8, 202, 350 B2)使用其中能够 引导气流穿过多孔吸着剂材料层的结构，但是这些结构基于为在第三维度上挤出的基本上 2维的结构的挤出式整体结构。在这些结构中，吸着剂材料为整体结构，例如为凝胶形式或 沉积在通道壁上，因此其不是松散的。此外，这些结构通常由单一材料挤出，并且挤出过程 不允许对任意的材料进行组合来构建该结构。
[0021 ] 本发明的结构相对于现有技术的挤出式整体结构具有几个优点。
[0022] 第一，基于挤出式整体材料的结构不能呈现更为复杂的3维结构，例如具有通过 柔性织物片限定的松散颗粒状吸着剂材料的各个层的堆叠体。这进而意味着，现有技术的 结构不能呈现本发明的结构的几何结构，例如连接至管道并且被包埋在包围在两个织物材 料层之间的吸着剂材料层中的传热结构（见下文）。
[0023] 第二，现有技术结构不能由多种不同的材料组合容易地构建，如本发明的结构那 样，其相应的优点在下文详细列出，例如优化的热质量/热容量、优化的传热结构的热导率 等。特别地，与现有技术相反，包围吸着剂材料的柔性织物材料的并入允许（i)使用将吸着 剂材料保持为薄的均匀层形状的柔性的和在一定程度上可伸展的织物片，即使颗粒层的体 积在操作期间有一定程度的收缩或膨胀（例如通过材料的干燥和润湿）；和（ii)调整织物 片以刚好不可透过吸着剂材料但同时非常薄并且对流过它们的气流施加非常低的压降。与 此相反，现有技术的整体结构的固定的刚性通道（i)不能适合于收缩和/或膨胀的吸着剂 填充，和（ii)相比优化的柔性织物片通常会更厚或具有更低的供气流穿过的孔隙率，这是 因为现有技术的整体结构将需要更致密的结构来维持其刚性结构。
[0024] 第三，现有技术的整体结构可能经受绕过吸着剂材料层的大量流动，从而导致减 少的吸附过程期间的传质。其原因在于，在吸着剂材料与刚性结构如整体材料的壁接触的 那些位置处，可能形成吸着剂材料中的小腔（例如在填充或涂覆过程期间），这降低这些位 置处的对空气流的阻力并进而引起穿过它们的旁路流动。在本发明的结构中，可以使吸着 剂材料的填充内侧的壁的数目保持为比现有技术的结构小得多。
[0025] 第四，所提出的与用于界定层的柔性织物相结合和与具有特定选择的层厚度和通 道宽度的堆叠布置相结合的松散颗粒吸附材料的使用允许提供非常稳健、低压降、易于操 作和低制造成本的具有高吸附和脱附过程效率的装置，所述装置的