通过直接接触热交换将可冷凝蒸气与气体分离的系统和方法

通过直接接触热交换将可冷凝蒸气与气体分离的系统和方法
【专利摘要】将可冷凝蒸气如二氧化碳与工艺流(112)中的轻质气体分离。系统和方法采用直接交换热交换器(116)，以从工艺流中凝华可冷凝蒸气。可冷凝蒸气通过在直接接触热交换器中直接接触热交换液体(119)进行冷凝，同时来自工艺流中的未冷凝轻质气体形成分离的轻质气体流(124)。分离的轻质气体流可用于同流式热交换器(114)中，以冷却工艺流。
【专利说明】通过直接接触热交换将可冷凝蒸气与气体分离的系统和方
法
[0001]相关申请的交叉引用
[0002]本申请要求2010年11月19日提交的、名称为METHOD FOR A DESUBLIMATING HEATEXCHANGER(用于凝华热交换器的方法)的美国临时专利申请系列号61/458，229的权益和优先权，其通过引用以其整体并入本文。
【背景技术】
[0003]1.发明领域
[0004]本发明涉及通过凝华热交换液体中的可冷凝蒸气将可冷凝蒸气(例如，二氧化碳)与气体分离的系统和方法。
[0005]2.相关技术
[0006]将二氧化碳与其它轻质气体(light gas)如氮气分离对于实现二氧化碳隔离是重要的。来自常规发电站的烟道气一般包括大约4%(vol.)至大约16%(vol.)的二氧化碳(CO2) 0通常认为，该CO2代表了增加温室效应和全球变暖的一个重要因素。因此，对于从烟道气中捕获CO2以便产生可被容易运输至安全储存位置或进一步应用的CO2浓缩流的有效方法存在明确的需要。CO2已经通过几种技术从气流中捕获，其中最普通的技术包括:氧燃烧(oxyfiring)，其中将氧气从空气中分离，然后燃烧，产生基本上纯的CO2流出物；吸收，其中CO2被选择性地吸收至液体溶剂中；膜，其中CO2通过半渗透塑料或陶瓷膜被分离；吸附，其中CO2通过吸附在特别设计的固体颗粒表面上被分离；化学循环，其中碳氧化和氧气消耗通过反复利用的介质一般是金属氧化物进行物理上分离；以及低温/高压方法，其中分离通过冷凝CO2完成。
[0007]在过去，从烟道气中捕获CO2的最经济的技术是用胺溶液洗涤烟道气以吸收C02。该技术已经商业上用于小规模工艺以及用于专用工艺。但是，其在公用工程规模发电站中还未被采用，这主要是因为该技术引起发电站总效率的不可接受的降低。
[0008]已经受到显著关注的另一类型方法是氧燃烧系统，其使用通常在空分装置(ASU)中产生的氧气而不是空气用于燃烧主要的燃料。常常将氧气与惰性气体如再循环的烟道气混合以保持燃烧温度处于适合的水平。氧燃烧过程产生具有CO2、水和O2作为主要成分的烟道气；C02浓度一般大于按体积计大约70%。烟道气的处理常常需要从烟道气中去除空气污染物和非冷凝气体(如氮气)，然后将CO2送至储存。
[0009]简述
[0010]本公开描述了用于在连续分离过程中将可冷凝蒸气(例如，二氧化碳)与其它气体(例如，氮气)分离的系统和方法。该分离过程在直接接触热交换器(DCHE)中执行，其中包括可冷凝蒸气和轻质气体的工艺流与非挥发性热交换液体(NVHEL)进行直接物理接触。NVHEL冷却工艺流并且引起可冷凝蒸气凝华，从而形成凝华的固体和NVHEL的浆液。可冷凝蒸气的凝华还引起蒸气与工艺流中的其它气体分离，从而形成分离的轻质气体流。
[0011]冷凝的固体例如但不限于二氧化碳可在升高的压力下融化以形成液体，并且使用任何适合的隔离技术进行隔离。例如，分离的二氧化碳可被注入至含水层或其它合适的地下储层。
[0012]DCHE的使用在凝华工艺流和NVHEL之间产生交换热的净效果。但是，其完成这个而没有使任何固定的传热表面结霜、结垢或任何其它抑制传热的质量积聚。NVHEL是在其上可积聚固体的传热表面，并且其在液体中的积聚不会阻止DCHE中的传热。DCHE中的热交换是通过直接接触，并且比通过热交换壁更加有效。而且，DCHE是液体-流体系统，其比其它热交换器中的气体-流体系统尤其更加有效。
[0013]用于将可冷凝蒸气与气体分离的方法的一个实施方式包括下列步骤中的全部或一部分:(i)提供包括可冷凝蒸气和轻质气体的工艺流；(ii)使用一个或多个上游热交换器冷却工艺流；(iii)提供包括容器内的NVHEL的DCHE单元；(iv)将工艺流从一个或多个上游热交换器引入下游DCHE，并且使工艺流与NVHEL直接物理接触；(V)在足以引起工艺流中的可冷凝蒸气的至少一部分在NVHEL中凝华的温度和压力下冷却工艺流，以形成冷却的轻质气体和包括凝华固体和NVHEL的浆液；(vi)通过轻质气体出口从容器中移出分离的轻质气体流；以及(vii)将凝华的固体的至少一部分与NVHEL分离。
[0014]在一个实施方式中，方法包括使用包括二氧化碳的工艺流，并且在适于凝华二氧化碳的温度和压力下操作分离单元。
[0015]在一个实施方式中，DCHE下游的NVHEL通过再循环热交换器(RHE)，并且再循环至DCHE0 NVHEL的一些部分将在DCHE中潜在地蒸发。蒸发的量可通过选择具有最小蒸气压的液体或液体混合物最小化。适合的非挥发性材料的实例包括甲基环戊烷、甲基环己烷、各种氟化烃或氯化烃，或在系统操作的温度下具有低蒸气压、具有易控制粘度并且不具有材料不相容性或不易控制的健康和安全问题的任何化合物或溶液，包括这些化合物的混合物。
[0016]在一个实施方式中，浆液流中的NVHEL通过澄清器首先与固体分离。该分离可通过过滤、水力旋流器、沉降或适于流体的任何其它固体分离技术完成。然后，澄清的NVHEL在RHE中冷却并且再循环至DCHE。
[0017]在凝华过程中，凝华固体和轻质气体的一些部分可在NVHEL中溶解。但是，这在连续再循环系统中不是问题，因为NVHEL将在溶解的材料中快速饱和，此时应该不存在进一步的溶解。而且，溶解的材料几乎没有机会在RHE的热交换表面上沉淀，因为澄清的NVHEL比RHE更加温热，并且因此通常比RHE环境具有用于溶解的气体和固体的更高负荷能力。NVHEL应当远离再循环热交换器表面溶解材料，而不是将其沉淀在那里。
[0018]本文所述的系统和方法可在适于凝华工艺流中的可冷凝蒸气的任何温度和压力下执行。在一个实施方式中，容器中的压力可相对地低，如大约环境压力至大约15psig或环境压力至大约IOpsig或环境压力至大约5psig范围内的压力。在可选的实施方式中，压力可相对地高如在大约5psig至大约IOOOpsig或更大或20psig至大约500psig的范围内。在二氧化碳将被凝华的情况中，选择颗粒床内的温度和压力，以将气体二氧化碳直接转化为固体二氧化碳。用于凝华二氧化碳的温度和压力是众所周知的。例如，在环境压力下，15%vol浓度下的二氧化碳蒸气在小于大约-100°C的温度下从烟道气中凝华，并且90%的CO2在大约_120°C的温度下凝华。
[0019]在一个实施方式中，DCHE可在适度压力或高压下操作，以使离开的轻质气体流可通过下游的膨胀被进一步冷却。在一个实施方式中，具有大于大约5ps1、大于大约20psi或大于大约50psi压力的分离的轻质气体流被膨胀，以将分离的轻质气体流冷却至RHE温度以下的温度。分离的轻质气体流的这种额外冷却可引起分离的轻质气体流中可冷凝蒸气的残余部分的凝华。固体分离设备可去除在分离的轻质气体流的膨胀中形成的固体。然后，冷却的分离的轻质气体流可传递至RHE，从而从再循环的NVHEL吸取热。
[0020]在可选的实施方式中，RHE可使用除分离的轻质气体流之外的装置冷却。在一个实施方式中，RHE可包括制冷单元。在该实施方式中，可使用能够达到用于冷却RHE中的NVHEL的期望温度的任何制冷系统。在优选的实施方式中，这种制冷系统包括热联合(heatintegration)和回收，以使冷却制冷剂的大部分通过加热返回的烟道气和纯化的CO2流进行。
[0021]本文所述的系统和方法还可包括在分离单元的上游执行的冷却步骤。在将工艺流引入容器之前，一般使用一个或多个热交换器冷却工艺流。在最初的冷却过程中，可干燥工艺流以去除水。在一个实施方式中，工艺流使用一个或多个同流式上游热交换器——其使用分离的轻质气体流冷却工艺流一冷却。分离的轻质气体流可用于同流式再循环热交换器或同流式上游热交换器，其直接地在DCHE容器的上游或下游，或可选地，分离的轻质气体流可在进入同流式热交换器前首先通过膨胀装置冷却。
[0022]在一个实施方式中，从浆液中分离的固体被用于一个或多个上游热交换器，以冷却工艺流。
[0023]增加NVHEL和工艺流之间的接触表面积可促进凝华。为了最大化接触表面积，本文所述系统可包括DCHE容器，其具有填充材料如筛网、盘形物或变化形状的三维物件。
[0024]该系统还可包括内部喷洒器，其在DCHE中产生NVHEL小滴。在可选的实施方式中，DCHE包括与工艺流流体连通的喷洒器，其产生工艺流气泡，并且将循环的大量NVHEL喷射在DCHE容器中。
[0025]系统的一个实施方式在完成NVHEL与CO2分离之前加压NVHEL-CO2浆液，其利用了浆液通过泵的能力。浆液泵将固体压力增加至其可融化以形成液体的点，并且促进固体CO2颗粒与NVHEL分离。
[0026]本发明的这些以及其它目标和特征将通过下列描述和所附权利要求变得更加明显，或可通过下文中阐述的发明实践而了解。
[0027]附图简述
[0028]为了进一步阐明本发明的上述以及其它优势和特征，本发明更加具体的描述将参考所附附图中图解的其【具体实施方式】进行。应理解，这些附图仅描述了发明的图解的实施方式，并且因此不被认为限制其范围。将通过使用附图以其它特征和细节描述和说明本发明，其中:
[0029]图1是用于将可冷凝蒸气与气体分离的系统的示意图；
[0030]图2是用于冷却DCHE容器上游的工艺流的上游热交换器的示意图；
[0031]图3是用于从分离容器上游的工艺流中去除杂质的热交换器的示意图；
[0032]图4图解了图1系统的DCHE容器；
[0033]图5图解了图4的DCHE容器的分布设备的俯视图；
[0034]图6图解了图1系统的DCHE容器的可选设计；
[0035]图7是图6的DCHE容器的分流器的俯视图；和[0036]图8是用于使用升高的压力将可冷凝蒸气与气体分离的系统的示意图。
[0037]图9显示了分别具有逆流、并流和混合流构造的多级系统的示意图，每个系统包括三个DCHE。
【具体实施方式】
[0038]本文公开的系统和方法涉及从工艺流(例如，来自发电站的烟道气)中分离可冷凝蒸气体以形成固体和分离的轻质气体流。例如，在一个实施方式中，方法和系统涉及从包括二氧化碳和氮气的工艺流中冷凝二氧化碳蒸气。本发明的系统和方法可用于分离在包括气体混合物的任何工艺流中的可冷凝蒸气，可容易使气体混合物中的一些相变。该工艺流一般在烃加工装置中或有时在用于生命维持的CO2敏感的空气供应源中产生。产生适用于本发明中的流的烃加工装置和呼吸用空气供应系统的实例包括但不限于烧煤发电站、烧天然气发电站、烧燃油发电站、烧生物质发电站、石化工艺流、限制或封闭空间如水下中的环境空气、天然气纯化流、合成气或来自气化器的炉煤气流、来自固定的和可能移动的汽油、柴油或类似发动机的排气以及黑液燃烧或气化流出物。尽管本发明用于来自发电站的工艺流特别有利，但是本发明也可用于其它工业工艺流，如但不限于来自石油精制的工艺流。
[0039]1.用于冷凝蒸气的系统
[0040]图1是用于将可冷凝蒸气与气体分离的例证性系统100的示意图。系统100包括与同流式上游热交换器(UHE)单元114流体连通的工艺流112。UHEl 14将工艺流冷却至存在于工艺流112中的可冷凝蒸气的冷凝点附近的温度。工艺流112流动至包括直接接触区118 的 DCHE 容器 116。
[0041]DCHE 容器 116 包括 NVHEL 入口 120，NVHELl 19 通过它进入 DCHE 容器 116。NVHEL可以是具有可冷凝蒸气的霜冻点或露点以下的凝固点并且是非挥发性或具有低挥发性的任何流体。低挥发性最下化逸出DCHE的NVHEL的量，其最小化环境影响和成本。适合的NVHEL的实例包括但不限于甲基环戊烷、甲基环己烷、各种氟化烃或卤化烃，或在系统操作温度下具有低蒸气压、具有可控制的粘度并且不具有材料不相容性或不可控制的健康和安全问题的任何化合物或溶液，包括这些化合物的混合物。当可获得时,这些化合物的离子溶液尤其有用。
[0042]在容器116中的直接接触区118内，工艺流112与比工艺流112中的可冷凝蒸气的凝华温度更冷的NVHELl 19直接接触，引起工艺流和NVHEL之间的热交换，并且导致在NVHEL的接触表面上可冷凝蒸气的凝华。随着可冷凝蒸气凝华并形成固体，流112中的轻质气体与固体分离并且形成轻质气体流124，其然后经由轻质气体流出口 125离开NVHEL容器116。
[0043]包括冷凝的固体和NVHEL的浆液通过固体/NVHEL出口 121作为浆液流122离开DCHE容器116。此时，加压泵(未显示)可被并入过程中以将浆液压力提高至任意高的水平，其(a)加压固体，(b)促进在澄清器中的固体-液体分离，以及(c)驱动NVHEL的再循环。固体/NVHEL出口 121下游的固体分离设备130 (例如，澄清器)将浆液流122中的固体与NVHEL分离，形成固体流131和澄清的NVHEL流132。然后，固体流131和/或轻质气体流124被用于冷却同流式上游热交换器(UHE) 114中的工艺流112，并且澄清的NVHEL流132通过再循环热交换器(RHE) 140被冷却，然后被再循环至DCHE容器116。未在图1中显示，但是等同可行的是其中澄清器130在UHE114下游和RHE140上游的构造。
[0044]轻质气体流124和任选地冷凝相流131冷却可被凝华或者不被凝华的UHEl 14中的工艺流112，或(未显示但是等同有效的)类似于140但处于多级系统的先前阶段的热交换器内的NVHEL。使用轻质气体流124和/或固体流131冷却工艺流112回收在冷却流112中消耗的一部分能量。该同流过程提高了整个分离系统100的效率。优选实施方式包括流124和131以它们之间的小温差冷却进入流。流124和131的各部分可被分离，以在整个过程的不止一个区域内提供冷却。
[0045]UHE114可包括任意数量的压缩机、热交换器、风扇、泵、导管、阀、传感器、控制器和本领域内已知的用于冷却、干燥、加压和/或纯化工艺流的其它组件。
[0046]图1中显示的构造可被分级许多次，以在一定的温度范围内提供杂质的有效去除，优选进行这种分级，以使所有热交换逆流进行或任选地一些或所有热交换器错流或并流进行。
[0047]图2提供了包括多个热交换器214、216、218、220和222的UHE114的例证性实例。工艺流112 —般首先在一个或多个冷却过程中使用水和/或空气冷却至环境温度。例如，水219可用于使用本领域内已知技术冷却工艺流112，以在环境温度下产生工艺流112a。在第二热交换器中，工艺流112a在第二热交换器216中被冷却，以冷凝可能存在于工艺流112a中的任何水蒸气，从而产生干燥工艺流112b。工艺流112a可使用任何适合的冷却剂221冷却。冷却剂221可从流122和/或124中提供或使用本领域内已知的非同流式技术冷却，例如但不限于外部制冷单元、盐溶解技术或分级冷却技术。第二热交换器216可包括用于去除冷凝水124的分离器。剩余的水可使用吸收、盐溶解、加压或本领域内已知的其它技术去除。
[0048]干燥工艺流112b可被引入任何数量或任何类型的热交换器中，以将工艺流冷却至刚好在工艺流中存在的可冷凝蒸气(即，待通过浆液移出的可冷凝蒸气)的冷凝温度以上的温度。图2显示了工艺流112b，其被引入至一系列的热交换器218、220和222，并且然后通过风扇223。在工艺流处于环境温度附近或以上的工艺中风扇或压缩机223可选地并且优选地较早布置。热交换器218、220和222将工艺流冷却至刚好在可冷凝蒸气的霜冻点或露点以上的温度，并且风扇223提供用于将冷却的工艺流注入分离容器116的压力。
[0049]在一个实施方式中，冷却的分离的轻质气体流124作为制冷剂流动通过热交换器218和220。在热交换器218和220中，分离的轻质气体流124可与工艺流112b的流动相逆地流动，以使流124的较冷部分(即上游部分)与流112b的较冷部分(即下游部分)热接触。
[0050]使轻质气体流124与干燥工艺流112b的流动相逆地流动可使用达到期望的冷却效率所需的任何数量的热交换器通过多个热交换器完成。可选地或除了使用多个热交换器，轻质气体流124和工艺流112b可在单个热交换器内具有逆流。例如，包括具有工艺流112b和轻质气体流124的平行流动的导管的热交换器可包括逆向流动。逆流可以是有益的，以确保轻质气体流124的最冷部分与最冷干燥工艺流112b进行接触，其使得使用轻质气体流124作为制冷剂能够达到工艺流112b的最低温度。
[0051]在UHE114中使用冷却的分离的轻质气体流124作为冷却剂回收在冷却气体以形成轻质气体流124中消耗的能量。因为热力学定律使任何封闭系统不能达到100%效率，并且因为与冷凝工艺流的组分有关的凝华/冷凝的潜热必须从系统中去除，工艺流112或NVHEL的额外冷却在某些情况下在系统100中是需要的，以达到用于冷凝蒸气的期望的低温。如果需要，外部冷却的一部分可在容器116之前提供以在容器116的入口处达到工艺流112的期望温度。
[0052]上游热交换器(UHE) 114也可包括一个或多个热交换器，以利用凝华的固体流131来冷却工艺流112。固体流131可被融化和/或加热以冷却上游热交换器222中的工艺流。在例证性实施方式中，上游热交换器222在热交换器220下游冷却工艺流112。在可选的实施方式中，固体流131可用于使用轻质气体流124作为冷却剂的同流式热交换器(例如,热交换器218和220)上游的热交换器中。固体流131也可用于任何数量的热交换器，以提供期望的冷却效率。
[0053]UHE114也可被配置来在容器116之前去除一种或多种不同类型的杂质。由于使用天然产品如煤和石油来产生工艺流，杂质常常在工艺流中发现。在一个实施方式中，工艺流可包括但不限于汞、NOx, Sox、HC1、残留水分、这些的组合以及任何已知存在于工业工艺流中的其它杂质。
[0054]杂质可通过在期望的温度和压力下在热交换器中冷凝杂质被去除。任何数量的热交换器和/或压缩机和/或分离装置可用于冷凝不纯的蒸气，并将它们从工艺流112b中分离以产生纯化的干燥工艺流。用于热交换器中的冷却剂可以是分离的轻质气体流124、固体流131或来自外部制冷单元或相当功能的装置的冷却剂。杂质的分离可通过选择合适的温度和压力执行，在该温度和压力下杂质将冷凝并且其它可冷凝蒸气(例如，CO2)不会冷凝。可选地，杂质可在容器116中与CO2 —起冷凝，并且任选地随后在过程中被去除。本领域那些技术人员熟知冷凝一般在工艺流中发现的杂质所需的温度和压力。这些杂质包括但不限于硫和氮的氧化物(S02、SO3> NO、NO2)、处于冻结温度以下的水、卤化的气体(HC1、HgClx)、汞、砷化合物以及烟道气共有的并且操作、健康或环境关注的其它杂质。通常地，当颗粒或表面的温度处于这些化合物的霜冻点或露点或以下时，这些化合物凝华或冷凝。当这些化合物作为混合物的组分存在时，这些化合物的实际凝华点和凝固点以复杂的但对于混合物热力学领域的技术人员众所周知的方式强烈取决于混合物组成。
[0055]图3图解了可用于去除杂质的系统100的子系统310。子系统310包括用于输送工艺流112b的导管，其可连接至任选的压缩机334和热交换器/分离器328。压缩机334任选地可将干燥工艺流112b压缩至用于冷凝流112b中的杂质的期望压力。冷却剂330被用于热交换器328中，以将干燥工艺流112b冷却至适于冷凝一种或多种杂质以形成液体杂质流332的温度。液体杂质流从热交换器/分离器328中收回，以产生纯化的工艺流112c。然后，纯化的工艺流112c可被进一步加工以去除其它杂质、冷却至更低的温度和/或引入容器116中。液体杂质流332可被进一步加工为期望的产品和/或被处理和/或用于在进行分离(即，在同流式热交换器过程中)的上游冷却工艺流112。
[0056]杂质可在容器116之前从工艺流112b中冷凝和去除，以最小化将一般被隔绝的固体流131中的杂质浓度，并且最小化将一般地排至大气中的分离的轻质气体流124中的杂质浓度。
[0057]在一个实施方式中，系统100可在容器116上游包括一个或多个压缩机。压缩机的使用可减小工艺流的体积，从而使其更容易处理大流量。压缩机和热交换器的数目可部分取决于分离系统100的期望的操作压力。在期望环境压力或相对低的压力(例如，环境压力至IOpsi)的情况中，一个压缩机或甚至仅仅冲衆泵(fan pump)对于维持压力可能是足够的。在期望高压(例如，几十psi至几百psi)的情况中，多个压缩机或压缩机级一其任选地具有多级和级间冷却和热交换器一可用于同流式热交换器单元114中。用于高压的分级压缩机/热交换器系统提高了冷却和压缩工艺流的效率。
[0058]在一个实施方式中，容器中的压力可相对地低，如大约环境压力至大约15psi或环境压力至大约IOpsi或环境压力至大约5psi范围内的压力。在可选的实施方式中，压力可相对地高如大约5psi至大约IOOOpsi或更大、或20psi至大约500psi范围内。
[0059]包含于流131中的剩余NVHEL可在固体融化后通过从富CO2相中倾析富NVHEL相、通过使用压滤机过滤或通过这种分离的领域内技术人员已知的其它固体-液体或液体-液体分离过程进行分离。
[0060]图2和3图解了其中工艺流112被纯化、冷却和加压以引入容器116中的实施方式的实例。本领域技术人员将认识到工艺流内的具体设备和顺序可不同于图2和3中描述的，同时仍执行可用于本发明系统的功能。
[0061]图4以其它细节图解了 DCHE单元400的一个实施方式。DCHE包括容器116、容器116内的直接接触区118、NVHEL入口 120、工艺流入口 410、轻质气体出口 125和固体/NVHEL出口(121)。容器116的大小形成为并构造为保持浆液具有合适体积以处置待处理工艺流的体积。一般地，容器116的大小与气流的体积流速成比例地变化，气流的体积流速在一种应用与另一种应用之间广泛地不同。与该技术相关的尺寸在Icm至许多米或几十米范围内。但是，直径可取决于容器的数目和待处理工艺流的体积而变化。在一个实施方式中，容器的直径可在大约0.1m至大约50m或大约Im至大约20m范围内。容器横截面一般地大约与工艺体积流速成比例地增加。图中表示的图解的NVHEL雾化或喷洒是任选的。包括直接注入浆液118中的可选注入技术也是等同有效的并且在一些情况中是优选的。
[0062]容器116可具有适于容纳浆液和直接接触区的任何形状。一般的形状包括具有矩形或圆形横截面的柱形容器。具有圆形横截面的容器在涉及高压的情况中可能是有利的。
[0063]工艺流入口 410连接至分布设备420。引入工艺流入口 410的气体通过分布设备420被分布，分布设备420起歧管的作用以将大量气体传输至直接接触区118，其具有适当气泡大小和足够的流阻，以防止NVHEL的回流。
[0064]如图5中显示的，适合的分布设备420包括多个喷嘴510，其提供用于将工艺流注入直接接触区118的期望模式和压力。可使用具有多个喷嘴的任何分布设备，只要喷嘴的大小、构造和间距适于获得使期望流动通过直接接触区118所需的工艺流的分布和压力。例如，分布设备420可具有以各种具体设计包括筛子、泡罩、喷洒器以及相关设计的具有大约2mm至大约5cm范围的直径的喷嘴，并且包括大约1%覆盖度至大约90%覆盖度范围的喷嘴密度。
[0065]如由图5指出的，DCHC容器116具有矩形横截面，但是其可具有由因素如操作环境、期望压力等要求的形状。
[0066]—般地,分布设备420被布置在容器116底部附近。一般地,轻质气体出口 125在容器116顶部附近(即，在操作过程中在直接接触区118上方)，以使工艺流的流动延伸通过直接接触区118。[0067]容器116包括NVHEL入口 120和固体/NVHEL出口 121，以将NVHEL加入容器116和从容器116中去除固体或NVHEL。一般地，固体/NVHEL出口位于床的底部附近，并且NVHEL入口位于容器的顶部附近和/或在使用过程中在直接接触区118的顶部附近。
[0068]在该实施方式中，在通过NVHEL入口 120进入后，NVHEL积聚并且在直接接触区118中、一般地在容器116的下部分中形成大量(a reservoir of)NVHEL，浸没分布设备420。分布设备420将工艺流气体引导至直接接触区，形成气泡并且喷射NVHEL。工艺流气体和NVHEL之间的直接接触冷却工艺流并且使可冷凝蒸气凝华，在NVHEL中形成固体。工艺流中的轻质气体与冷凝的蒸气分离,形成轻质气体流124，其通过轻质气体出口 125离开容器116。固体和NVHEL形成浆液122，其通过固体/NVHEL出口 121离开容器116。
[0069]固体/NVHEL出口 121可任选地包括螺旋输送机或泵440，以促进固体从容器116移出。但是，可使用从容器中移出固体的其它已知机构。也取决于直接接触区118中的固体/NVHEL的比例和浆液的粘度，现行的移出机构可能不总是需要。
[0070]使用工艺流气体来喷射NVHEL增加了两个相之间的接触表面积，从而增加两个相之间的热交换效率。为了进一步增加接触表面积，NVHEL入口 120任选地连接至喷洒器430，其将NVHEL小滴喷射至DCHE的直接接触区118内。小滴尺寸可根据DCHE直接接触区118的压力和温度调整，以实现将可冷凝蒸气与工艺流112内的轻质气体最佳分离，同时防止小滴夹带入轻质气体离开流124。
[0071]图6以另外细节图解了 DCHE单元600的一个实施方式。DCHE600的入口和出口类似于图4中的DCHE400中的那些。但是，DCHE600的直接接触区118包括例如多孔板如分流器611-616，每个具有多个孔640。分流器611-616包括形成孔650的缺口。分流器611-616 一般被定位为与铅垂线垂直，以使NVHEL在每个分流器的上表面上形成层，并且从上侧至下侧流动通过分流器的较大的孔650。最优选地，每个分流器的较大的孔650与任何相邻分流器的较大的孔未对齐，以引起由大箭头指示的迂回的流体流动119b。在向上方向(小箭头表示)上，工艺流112d由于压差被迫使通过分流器611-616的多个较小的孔640，使NVHEL直接接触在分流器611-616的上表面上。
[0072]各个分流器611-616被间隔开以提供允许NVHEL流流动通过直接接触区118的空间，在每个分流器的上表面上形成NVHEL层，并且允许工艺流112d流动通过分流器和分流器上的NVHEL层。在一个实施方式中，间隙距离660在大约0.5至IOOcm范围内，而分流器厚度670可在大约0.2cm至IOcm范围内，虽然如果期望可使用其它尺寸。
[0073]图7显示了分流器的俯视图，其一般地横穿直接接触区118的横截面的大部分。如此处指出的，分流器710的形状是圆形。但是，分流器的形状可以是对于在直接接触区118中冷却工艺流112d提供期望的表面积和接触的任何形状。类似地，较小孔640的直径和数目、较大孔650的直径以及分流器的数目可被调整以优化NVHEL119和工艺流112d的流速，以便达到期望的接触表面积和接触持续时间。本领域技术人员熟知用于形成在向上流的工艺流上维持压头以引起均质混合的流体流动的工艺参数。在一个实施方式中，较小孔的直径在0.01至5cm范围内，并且较大孔的直径在I至20cm范围内。较小孔的密度可在10%至90%的范围内，并且分流器的数目可在一个至几百个范围内。为了各种目的，如果期望的话，可使用其它尺寸和数目。在该设计中未显示但是优选的是NVHEL的级间出口，其允许移去流体中的固体形成以及NVHEL的冷却以补偿与冷凝或凝华蒸气相关的冷凝潜热引起的热增加。在所有情况中，随着流体逐级通过该系统，流体温度一定下降。
[0074]图8描述了可选系统800，其中分离的轻质气体流824被用作同流式再循环热交换器(RHE)840中的冷却剂，以冷却再循环的NVHEL819。系统800包括使工艺流812加压的压缩机802。工艺流812中的压力在膨胀过程中用于DCHE816下游，膨胀过程将轻质气体流824冷却至适用于同流式RHE的温度。在一个实施方式中，系统800被配置来在基本上在环境压力以上的压力下操作。例如，系统800可在大约0.5atm至大约20atm、更优选地大约Iatm至大约IOatm或大约Iatm至大约7atm范围内的压力下操作。
[0075]膨胀过程利用在容器816下游的骤冷器804。冷却的分离轻质气体流824被膨胀至RHE840中的温度以下的温度。膨胀的轻质气体流824a的较低温度允许流824a被用作RHE840中的冷却剂。膨胀过程可用于免除对于使用外部制冷单元的需要。
[0076]在一个实施方式中，固体分离器806可用于去除可在骤冷器804中的轻质气体流824的膨胀过程中形成的固体。在一些情况中，轻质气体流824可具有在DCHE容器816中未被分离出的一些可冷凝蒸气。膨胀轻质气体流824可引起可冷凝蒸气的额外部分形成固体。该额外的冷凝可从系统800去除额外量的C02。由轻质气体流824的膨胀产生的固体的量与DCHE直接接触区818中去除的固体的质量相比一般是小的。
[0077]由膨胀产生的固体和使用固体分离器806分离的固体可与从RHE840上游的澄清器830中分离的固体流831结合，以进一步处理。为了维持容器816中的压力，再循环的NVHEL819可在注入容器816后使用加压器808加压。在可选的实施方式中，分离的固体807和/或831可被融化并且用于同流式RHE840，然后进一步处理。
[0078]工艺流812 —般在容器816上游被加压。工艺流812可使用任何数量的压缩机和热交换器加压。在一个实施方式中，交替串联的多个压缩机和热交换器用于压缩和冷却工艺流812。使用串联交替的压缩机和热交换器可提高降低温度和增加压力的效率。系统800可具有类似于图4-7中描述的容器116的容器816，只要容器816被配置以耐受操作压力。
[0079]在一个实施方式中，容器816中的压力至少为大约5ps1、更优选地至少大约20ps1、并且最优选地至少大约50psi或甚至几百psi。更高的压力允许更大的膨胀以及温度降低，以冷却分离的轻质气体流，以便用作RHE中的冷却剂。
[0080]在环境压力以上的压力下操作对于从工艺流812中去除杂质(例如，使用图3中描述的结构或一系列这种设备)也可以是有利的。
[0081]图1中显示的系统可被许多次分级，以在一定温度范围内提供热的有效回收和/或杂质的去除。该系统以任何经典的热交换模式工作，包括逆流(图9A)、并流(图9B)和/或逆流和并流的混合(图9C)、错流等。
[0082]如图9A中显示的，热交换器940a以逆流冷却流902a和NVHEL932a进行操作。类似地，热交换器940b和940c以类似构造操作。在图9A中，DCHE916a还可以如由工艺流912a和NVHEL919a的箭头表示的逆流方式操作。类似地，DCHE916b和DCHE916c以逆流方
式操作。
[0083]图9B显示了热交换器940a，其以由显示用于冷却流902a和NVHEL932a的流动的相同流动方向的箭头图解的并流流动操作。类似地，热交换器940b和940c被显示以并流流动操作。在图9B中，DCHE916a也以由工艺流912a和NVHEL919a的流动方向表示的并流流动操作。DCHE916b和916c在图9B中显示为以并流流动操作。[0084]图9C显示了图9A和9B的混合，其中热交换器940a、940b和940c以并流流动操作，并且DCHE916a、916b和916c以逆流流动操作。还可使用其它构造，包括所有或一部分热交换器940逆流操作，并且所有或一部分DCHE916并流操作。图9C中显示的设计具有在并流部分中以相对小的效率损失进行重力驱动的优势。同样情况可通过进行相反侧的并流完成，其可能在实际中更现实，因为在一些情况中直接接触换热器可能难以维持逆流模式。[0085]I1.用于冷凝蒸气的方法[0086]本发明包括用于使用直接接触热交换器(DCHE)从工艺流中冷凝蒸气的方法。在一个实施方式中，方法包括(i)提供包括可冷凝蒸气和轻质气体的工艺流；(ii)使用一个或多个上游热交换器冷却工艺流；(iii)提供包括容器内的非挥发性或最低限度挥发性的热交换液体(NVHEL)的DCHE;(iv)将工艺流引入一个或多个上游热交换器下游的DCHE，使工艺流直接接触NVHEL ； (V)在足以引起工艺流中的可冷凝蒸气的至少一部分凝华的温度和压力下用NVHEL冷却工艺流，形成冷却的轻质气体和包括凝华固体和NVHEL的浆液；(V)将轻质气体与固体分离以产生分离的轻质气体流并且通过轻质气体出口从容器中移去分离的轻质气体流；和(vi)将凝华固体的至少一部分与NVHEL分离。[0087]提供工艺流的步骤可包括提供导管、泵、阀和/或适于将来自加工装置的气体输送至分离单元如上述系统100或系统800的其它硬件。加工装置可以是烃装置如烧煤、烧液体燃料或烧气的发电站。可选地，工艺流可以是来自化学加工装置如精炼厂的烟道气。工艺流包括至少一种可冷凝蒸气。在优选的实施方式中，可冷凝蒸气是二氧化碳。[0088]工艺流被冷却至刚好在可冷凝蒸气的露点或霜冻点以上的温度，然后被引入DCHE。在一些应用中，残留水分或其它可冷凝种类可总是存在于烟道气中，在此情况，DCHE系统可用于所有的冷却阶段。可冷凝蒸气的露点或霜冻点取决于具体的可冷凝蒸气和系统压力。例如，在近环境压力下的二氧化碳的霜冻点为大约_78°C。本领域技术人员熟知计算工艺流中的各种可冷凝蒸气的霜冻点或露点。工艺流可被冷却至可冷凝蒸气的露点或霜冻点的大约10度内，更优选地大约5度内，并且最优地在大约2度内。冷却工艺流可使用任何技术执行，包括以上关于系统10或系统800描述的那些。例如，方法可包括通过去除水干燥工艺流和/或从工艺流中去除杂质。[0089]在一个实施方式中，工艺流812在被引入容器之前通过在一个或多个热交换器中的冷凝被纯化。可通过冷凝去除的杂质包括但不限于汞、NOj^P/或S0X。在一个实施方式中，纯化的工艺流可具有小于大约Ippm的萊、小于大约Ippm的硫和小于Ippm的除了 NO的氮氧化物，由于其甚至在低温下的高挥发性，NO可能以高得多的浓度存在。[0090]关于用于冷却和/或纯化工艺流的系统和方法的其它细节可在 申请人:的共同未决PCT申请系列号PCT US2008/085075中发现，将其借此通过引用并入。方法包括在适于将可冷凝蒸气冷凝至固体表面上的条件下将冷却的工艺流引入颗粒床的步骤。[0091]在一个实施方式中，容器中的压力可相对地低，如大约环境压力至大约15psi或环境压力至大约IOpsi或环境压力至大约5psi范围的压力。在可选的实施方式中，压力可相对地高，如在大约5psi至大约1000psi或更大、或20psi至大约500psi的范围内。可在容器上游使用一个或多个压缩机和/或风扇提供容器内的期望压力。[0092]DCHE内的温度可在大约_80°C至大约_120°C或大约_100°C至大约_135°C或大约-100°C至大约-145°c的范围内。DCHE的温度通过NVHEL提供。在优选的实施方式中，DCHE具有在工艺流内的可冷凝蒸气的霜冻点或露点以下的温度。在一个实施方式中，DCHE的温度是露点或霜冻点以下30°C至40°C的度数，或露点或霜冻点以下40°C至55°C的度数，或露点或霜冻点以下40°C至65°C的度数。通过DCHE移去的可冷凝蒸气的量取决于通过烟道气达到的最低温度。
[0093]工艺流通过分布设备被注入容器，并且在引起可冷凝蒸气冷凝的条件下使其直接接触NVHEL。随着工艺流流动通过直接接触区内的NVHEL，工艺流的温度降至可冷凝蒸气的露点或霜冻点以下，其在NVHEL的接触表面上冷凝。随着冷凝的蒸气悬浮于NVHEL中并且与工艺流中的具有在可冷凝蒸气的冷凝点以下的冷凝点的气体分离，工艺流中的剩余气体(例如，氮气)形成轻质气体流,其通过轻质气体出口离开容器。
[0094]该分离技术可有利地在其中可冷凝蒸气在NVHEL中凝华的连续或半连续过程中执行，形成包括固体和NVHEL的浆液。固体和NVHEL可使用任何技术如阀、泵和/或螺旋输送机移出。在稳态下的操作过程中被移出的固体量近似于正常过程变化内的过程中冷凝或凝华的蒸气量，或可大于或小于瞬态操作中的该量。
[0095]在一个实施方式中，方法包括在稳态中操作DCHE单元，由于工艺流和NVHEL之间的直接接触，在稳态中DCHE中凝华固体的积聚速度与从其中移去凝华固体的速度大概相同。在一个实施方式中，冷凝蒸汽从DCHE容器的移出足够允许容器连续操作至少几天、几周或甚至几个月，而没有在DCHE容器中堆积冷凝的固体。
[0096]在优选的实施方式中，分离单元通过回收用于冷却容器上游的工艺流的一部分能量经济地操作。在该实施方式中，容器上游的工艺流使用同流式上游热交换器冷却，所述同流式上游热交换器使用分离的轻质气体流作为制冷剂进行冷却。
[0097]在一个实施方式中，工艺流中的可冷凝蒸气包括CO2和杂质如S02、SO3> NO2, N2O,HC1、汞化合物和珅化合物以及其它痕量气体杂质。杂质可在稍后的阶段与CO2分离。
[0098]本发明可在不脱离其精神或必要特性的情况下以其它具体形式体现。所述的实施方式在所有方面仅被认为是例证性的而非限制性的。因此，本发明的范围通过所附权利要求而不是通过前述描述指出。在权利要求的等价的含义和范围内进行的所有变化包含在权利要求的范围内。
【权利要求】
1.用于通过凝华可冷凝蒸气将所述可冷凝蒸气与轻质气体分离的系统，包括: 直接接触热交换器(DCHE)单元，其包括在容器内的非挥发性热交换液体(NVHEL)，所述容器具有工艺流入口、轻质气体出口和凝华固体出口 ； 工艺流入口，其被配置来引起包含可冷凝蒸气的工艺流直接接触所述容器内的所述NVHEL，其中所述系统被配置来将所述NVHEL冷却至使得所述NVHEL与所述工艺流的直接接触引起所述可冷凝蒸气凝华并且形成分离的冷却气体以及包括凝华固体和所述NVHEL的浆液的温度和压力，所述分离的轻质气体流通过所述轻质气体出口离开所述DCHE容器，所述凝华固体通过所述凝华固体出口离开所述DCHE容器；和 固体分离器，其将所述凝华固体的至少一部分与所述NVHEL分离。
2.权利要求1所述的系统，其中所述固体分离器在所述DCHE容器的所述凝华固体出口的下游。
3.权利要求1所述的系统，进一步包括流体再循环回路，其提供从所述凝华固体出口至所述DCHE的所述NVHEL入口的流体路径，并且包括再循环热交换器。
4.权利要求3所述的系统，其中所述轻质气体出口连接至所述再循环热交换器，以冷却所述NVHEL。
5.权利要求1所述的系统，其中所述工艺流入口与烟道气源流体连通。
6.权利要求1所述的系统，其配置来在大约5psi压力至大约500psi范围内的压力下操作。
7.权利要求1所述的系统·，其配置来在大约大气压力至大约5psi范围内的压力下操作。
8.权利要求1所述的系统，进一步包括同流式上游热交换器，其配置来使用在所述DCHE的所述轻质气体出口下游的所述分离的轻质气体冷却在所述DCHE单元上游的工艺流。
9.权利要求1所述的系统，进一步包括同流式上游热交换器，其配置来使用在所述DCHE的所述固体出口下游的所述分离的固体冷却在所述DCHE单元上游的工艺流。
10.权利要求1所述的系统，其中所述DCHE容器包括多个多孔分流器，其配置来引起所述NVHEL和所述工艺流之间的接触。
11.用于分离可冷凝蒸气的系统，其包括多个分级子系统，其中每个子系统包括权利要求I中所述的系统，其中所述分级子系统的所述DCHE单元被分级，以在一定的温度和条件范围内提供固体移出，并且其中所述分级在所述分级子系统的热交换器中保持逆流热交换，或提供错流热交换或并流热交换或它们的组合。
12.权利要求1所述的系统，其中所述NVHEL入口与在所述DCHE中产生NVHEL小滴的内部喷洒器流体连通。
13.权利要求1所述的系统，其中所述DCHE包括与将所述工艺流注入所述NVHEL的所述工艺流入口流体连通的分布设备。
14.用于通过升华可冷凝蒸气将所述可冷凝蒸气与气体分离的方法，包括: 提供包括可冷凝蒸气和轻质气体的工艺流； 使用一个或多个上游热交换器冷却所述工艺流； 提供直接接触热交换器(DCHE)，其包括在容器内的非挥发性热交换液体(NVHEL)；将所述工艺流引入所述DCHE，并且将所述NVHEL内的所述可冷凝蒸气凝华，以形成冷却的轻质气体以及包括凝华固体和所述NVHEL的浆液； 将所述浆液与所述冷却的轻质气体分离，以产生分离的轻质气体流；和 将所述凝华固体的至少一部分与所述NVHEL分离。
15.权利要求14所述的方法，其中所述NVHEL选自甲基环戊烷、甲基环己烷、氟化烃或氯化烃、或它们的组合。
16.权利要求14所述的方法，其中所述凝华固体和所述NVHEL作为浆液从所述DCHE中移出，并且在加压所述浆液之前或之后，在所述DCHE外部的固体分离器中将所述凝华固体与所述NVHEL分离。
17.权利要求14所述的方法，其中所述NVHEL在与所述凝华固体分离之后被再循环至所述DCHE。
18.权利要求17所述的方法，其中所述分离的轻质气体流用于再循环热交换器中，以冷却再循环的NVHEL。
19.权利要求18所述的方法，进一步包括将所述工艺流冷却至从二氧化碳的凝华温度至大约所述凝华温度以上2摄氏度的范围内的温度，然后将所述工艺流引入所述DCHE。
20.权利要求14所 述的方法，进一步包括凝华或冷凝一种或多种工艺流杂质。
【文档编号】F25J3/06GK103596660SQ201180065223
【公开日】2014年2月19日 申请日期:2011年11月21日 优先权日:2010年11月19日
【发明者】L·L·巴克斯特, C·S·本斯 申请人:布莱阿姆青年大学