用于收集二氧化碳的单块接触器以及相关系统和方法

用于收集二氧化碳的单块接触器以及相关系统和方法
【专利摘要】本发明涉及用于收集二氧化碳的单块接触器以及相关系统和方法。用于收集目标分子的单块接触器，所述单块接触器可以包括具有入口端和纵向相对的出口端的单块体部以及从邻近所述入口端向邻近所述出口端延伸的多个格子，其中所述目标分子被吸附到所述体部的表面。
【专利说明】用于收集二氧化碳的单块接触器以及相关系统和方法
【技术领域】
[0001]本公开一般涉及二氧化碳收集，并且更具体地，涉及由沸石材料制成的单块接触器收集二氧化碳的用途。
【背景技术】
[0002]二氧化碳被收集用于多种应用。二氧化碳的天然来源通常被开采以收集二氧化碳用于多种工业目的。二氧化碳还作为工业过程的副产物收集并且以便从空气供应中去除过多的二氧化碳。
[0003]二氧化碳可以使用多种技术从多种来源获得。然而，传统的二氧化碳收集技术可能是非常耗能的，特别是当以工业规模运转时。对于二氧化碳收集两种要求最高的能量需求典型地是驱使气流经过或通过收集介质所需的能量和从收集介质再生和捕获二氧化碳所需的能量。因此，二氧化碳材料成本可能变得很大，特别是当大量使用时。
[0004]用于收集二氧化碳的常用方法是利用胺来化学键合二氧化碳。此类方法涉及化学反应并且需要大量的能量来从胺释放二氧化碳。
[0005]用于收集二氧化碳的另一种方法是利用碳酸钠作为催化剂，其中气流被引入至液体氢氧化钠流中以产生碳酸盐。此类方法需要大量的能量，因为碳酸盐需要被加热至非常高的温度以释放捕获的二氧化碳。
[0006]用于收集二氧化碳的另一种方法是利用沸石粉或沸石球形挤出物的填充床。此类方法也需要大量的能量以驱使气流通过沸石材料的填充床。
[0007]因此，本领域技术人员在二氧化碳收集的领域中延续着研究和开发努力。

【发明内容】

[0008]在一个方面，公开的系统可以包括用于收集目标分子的单块接触器，所述单块接触器可以包括具有入口端和纵向相对的出口端的单块体部以及多个从邻近所述入口端向邻近所述出口端延伸的格子(cell)，其中所述目标分子被吸附到所述体部的表面。
[0009]在另一个方面，公开的系统可以包括用于从工艺气体收集目标分子诸如水和二氧化碳的系统，所述系统可以包括用于从工艺气体移除热量的冷凝器，其中所述冷凝器冷凝工艺气体中的水蒸气，用于从工艺气体中吸附额外的水以产生基本上干燥的气体的干燥剂室，用于从干燥气体吸附二氧化碳的接触室。公开的系统可以任选地还包括用于将吸附的二氧化碳从接触室排出并将排出的二氧化碳从气体诸如通过升华作用转变成固体的真空室，和用于收集从工艺气体移除的热量并传递所述热量的热传递组件。
[0010]在又另一个方面，公开了一种制造用于收集目标分子的单块接触器的方法，该方法可以包括以下步骤:(I)制备包含吸附剂材料(例如，沸石材料)、载体和粘合剂的吸附剂组合物，(2)挤出吸附剂组合物以形成单块体部，所述单块体部具有入口端、纵向相对的出口端和多个基本上平行的从邻近入口端向邻近出口端延伸的格子，(3)干燥所述体部，以及
(4)烧制干燥所述体部。[0011]在又另一个方面，公开了一种用于收集二氧化碳的方法，所述方法可以包括以下步骤:(1)提供包含二氧化碳和水的气态混合物，和(2)从所述气态混合物将至少一部分二氧化碳吸附到单块接触器上，所述单块接触器包括组装为限定多个通道的单块体部的吸附剂材料。
[0012]从下面的【具体实施方式】、附图和附带的权利要求，公开的单块接触器、系统和方法的其他方面将变得显而易见。
【专利附图】

【附图说明】
[0013]图1是公开的用于收集二氧化碳的系统的实施方式的示意性框图；
[0014]图2是说明公开的用于收集二氧化碳的方法的实施方式的流程图；
[0015]图3是公开的单块接触器的实施方式的立体正视图；
[0016]图4是图3的单块接触器的正面立视图；
[0017]图5是公开的用于制造单块接触器的方法的实施方式的流程图；和
[0018]图6是公开的用于收集二氧化碳的系统的接触室的剖视图。
【具体实施方式】
[0019]下面的详述参考附图，所述附图阐明本公开的【具体实施方式】。具有不同的结构和操作的其他实施方式并不背离本公开的范围。类似的附图标记可以指不同附图中的相同元件或部件。
[0020]参考图1，公开的用于收集二氧化碳的系统的一个实施方式，通常标为10，可以包括气体源12、空气移动装置14、冷凝器16、干燥剂室18和接触室20。任选地，系统10还可以包括真空室22和/或热传递组件24。另外的部件和子系统可以结合至系统10中而不背离本公开的范围。
[0021]气体源12可以是工艺气体26的来源。工艺气体26可以是任何含二氧化碳气体。例如，工艺气体26可以是气态混合物，并且可以包括二氧化碳以及其他成分，诸如水蒸气、氮气、氧气、稀有气体等。
[0022]工艺气体26可以处于相对于环境条件升高的温度，使得工艺气体26含有过多的热量。一种表达是，工艺气体26可以处于至少25°C的温度。另一种表达是,工艺气体26可以处于至少50°C的温度。另一种表达是，工艺气体26可以处于至少100°C的温度。另一种表达是，工艺气体26可以处于至少200°C的温度。另一种表达是，工艺气体26可以处于至少300°C的温度。另一种表达是，工艺气体26可以处于至少400°C的温度。又另一种表达是，工艺气体26可以处于至少500°C的温度。
[0023]在一个【具体实施方式】中，气体源12可以是发电厂并且工艺气体26可以是来自发电厂的流出物。例如，发电厂可以是燃烧烃的发电厂，诸如天然气发电厂，并且工艺气体26可以是燃烧烃的发电厂的燃烧副产物。因此，工艺气体26可以处于相对于环境条件相对高的温度，并且作为氧与烃的燃烧反应的结果可以包括大量的二氧化碳。任选地，在工艺气体26进入系统10之前，在气体源12和空气移动装置14之间可以使用分离装置，诸如涤气器，以从流出物去除污染物(例如，金属)。
[0024]空气移动装置14，尽管是任选的，可以促进工艺气体26从气体源12至冷凝器16的转移。空气移动装置14可以是风扇、鼓风机等，并且可以控制工艺气体26至冷凝器16的流动(例如，流速)。也考虑使用多个空气移动装置14。
[0025]冷凝器16可以接收来自空气移动装置14的工艺气体26，并且可以将工艺气体26中的水蒸气冷凝以输出部分干燥(如果不是完全干燥)的气体28。可以使用多种冷凝器类型和构造，并且也考虑使用单级或多级冷凝器。
[0026]冷凝器16可以通过冷却工艺气体26来冷凝工艺气体26中的水蒸气。在冷却期间通过冷凝器16从工艺气体26中提取的热量可以传递至热传递组件24以进一步使用，如在下面更详细描述的。
[0027]因此，冷凝器16可以降低工艺气体26的温度。一种方式是，冷凝器16可以将工艺气体26的温度降低至少10°C。另一种方式是，冷凝器16可以将工艺气体26的温度降低至少20°C。另一种方式是，冷凝器16可以将工艺气体26的温度降低至少30°C。另一种方式是，冷凝器16可以将工艺气体26的温度降低至少40°C。另一种方式是，冷凝器16可以将工艺气体26的温度降低至少50°C。另一种方式是，冷凝器16可以将工艺气体26的温度降低至少100°C。另一种方式是，冷凝器16可以将工艺气体26的温度降低至少150°C。又另一种方式是，冷凝器16可以将工艺气体26的温度降低至少200°C。
[0028]由冷凝器16从工艺气体26中去除的水可以作为系统10的副产物收集。然后收集的水可以用于任何合适的目的或排放至下水道。
[0029]干燥剂室18可以接收来自冷凝器16的部分干燥的气体28，并且可以输出基本上干燥的气体30。干燥剂室18可以包括选择以去除部分干燥的气体28中残留的基本上所有水的干燥剂材料。可以使用多种无机或有机干燥剂材料，诸如氧化铝、二氧化硅、沸石、碳、聚合物、生物质等。也考虑使用其他干燥剂材料而不背离本公开的范围。
[0030]在公开的系统10的一个【具体实施方式】中，干燥剂室18中的干燥剂材料可以是(或可以包括)吸附剂材料，诸如分子筛材料。作为一个具体的非限制性实例，干燥剂(吸附剂)材料可以被构造成由分子筛材料形成的具有碱金属铝硅酸盐结构的单块体部，所述结构具有至多约5埃(例如，约3埃)的有效孔隙开口。作为另一个具体的非限制性实例，干燥剂(吸附剂)材料可以构造成由沸石材料形成的单块体部。作为又另一个具体的非限制实例，干燥剂(吸附剂)材料可以构造成由沸石3A形成的单块体部。
[0031]干燥剂材料可以在收集一定量的水后被消耗，并且因此可能需要再生。干燥剂材料的再生可以借助于热传递组件24通过向干燥剂材料施加热量来实现，如下面更详细描述的。还可以使用其他技术，诸如施加真空，再生干燥剂材料。也考虑多种技术的组合，诸如热和真空。
[0032]由干燥剂室18从部分干燥的气体28去除的水可以被收集为系统10的副产物。然后收集的水可以被用于任何合适的目的或排放至下水道。
[0033]因此，冷凝器16和干燥剂室18可以去除工艺气体26中初始所含有的基本上所有水。得到的干燥气体30然后可以用于二氧化碳收集。公开的系统10的一个益处是二氧化碳隔离和收集的成本有效性，其中干燥气体30中水蒸气与二氧化碳的比率按重量计等于或小于I。
[0034]接触室20可以接收来自干燥剂室18的干燥气体30，并且可以输出基本上不含二氧化碳的干燥气体32。接触室20可以包含吸附剂材料，所述吸附剂材料通过将二氧化碳分子从干燥气体30的流吸附到吸附剂材料的表面而从干燥气体30吸附二氧化碳。此外，在吸附过程期间，二氧化碳还可以被吸附到吸附剂材料的内部结构中，诸如通过二氧化碳分子从吸附剂材料的表面的扩散或类似的输运现象。
[0035]多种有机或无机吸附剂材料可以适合用于接触室20中以从干燥气体30吸附二氧化碳，诸如氧化铝、二氧化硅、沸石、碳、聚合物、生物质等。也考虑使用其他的吸附剂材料。
[0036]在公开的系统10的一个【具体实施方式】中，接触室20中的吸附剂材料可以是(或可以包括)分子筛材料。作为一个具体的非限制性实例，吸附剂材料可以被构造成由分子筛材料形成的具有碱金属铝硅酸盐结构的单块体部，所述结构具有约8埃-约13埃(例如，约10埃)的有效孔隙开口。作为另一个具体的非限制性实例，吸附剂材料可以构造成由沸石材料形成的单块体部。作为又另一个具体的非限制实例，吸附剂材料可以构造成由沸石13X(或沸石13X的改型)形成的单块体部。
[0037]当足量的二氧化碳已经被接触室20内的吸附剂材料吸附(至吸附剂材料之上和之内)时，可以启动解吸过程以从吸附剂材料释放二氧化碳。从吸附剂材料解吸被吸附的二氧化碳的过程可以再生所述吸附剂材料，由此允许进一步使用所述吸附剂材料。
[0038]吸附的二氧化碳可以使用多种技术从吸附剂材料释放。一种用于从吸附剂材料解吸二氧化碳的合适技术涉及使吸附剂材料经历真空。作为一个实例，可以将接触室20基本上与气体流密封，并且可以在接触室20中抽真空。压降可以是相对低的，诸如约8-约12psi。作为另一个实例，接触室20可以被基本上与气体流密封，然后接触室20可以被流体连接到任选的真空室22。另外地(或可选地)，可以向接触室20施加热量，并且最终向吸附剂材料施加热量，诸如借助于热传递组件24，以促进二氧化碳从吸附剂材料释放。因此，施加的真空和/或热量可以有助于二氧化碳从接触室20中的吸附剂材料释放，如箭头34所示。
[0039]不受限于任何具体理论，认为，利用真空再生可以因为实现解吸所需的相对低的压降而显著地减少总能量需求，由此使得公开的物理吸附过程显著有效。例如，物理吸附过程紧接着真空解吸可以需要比传统化学吸附过程小3-5倍的再生能量。使用单块结构，如本文所公开的，可以进一步提高操作效率。
[0040]任选地，离开接触室20的气态二氧化碳(箭头34)可以使用任何合适的技术转变成固体，诸如通过冷冻或类似的沉积。例如，冷却的表面36，诸如指形冷冻器，可以放置在接触室20的下游以与气态二氧化碳(箭头34)接触。冷却的表面36可以通过低温泵38冷却，所述低温泵使冷液体循环通过冷却的表面36。冷却的表面36可被冷却至足够低的温度以使气态二氧化碳固化在冷却的表面36上。
[0041]然后固化的二氧化碳可以作为固体收集，或通过将二氧化碳转变回气体(S卩，升华作用)(例如，利用热)而收集。然后收集的二氧化碳可以被输送用于储存或运输至工作地点。
[0042]热传递组件24可以将冷凝器16与系统10的一个或多个其他子系统热耦合从而将在冷凝器16处收集的热施加至系统10的其他子系统。作为一个实例，热传递组件24可以将冷凝器16与干燥剂室18热耦合。作为另一个实例，热传递组件24可以将冷凝器16与接触室20热耦合。作为另一个实例，热传递组件24可以将冷凝器16与干燥剂室18和接触室20两者热耦合。[0043]热传递组件24可以包括流体管线50，泵52，热交换器54、56、58和任选的散热器60。第一热交换器54可以与冷凝器16相连，并且可以在冷凝器16处从工艺气体26收集热量。第二热交换器56可以与干燥剂室18相连，并且可以将热传递至干燥剂室18，诸如在干燥剂材料的再生期间。第三热交换器58可以与接触室20相连，并且可以将热传递至接触室20，诸如在从吸附剂材料解吸二氧化碳期间。
[0044]流体管线50可以将第一热交换器54与第二和第三热交换器56、58流体连接。泵52可以将冷却流体(例如，水、乙二醇等)循环通过流体管线50，使得冷却流体从第一热交换器54收集热量并将热量传递至系统10的一个或多个其他子系统。例如，冷却流体可以通过第二热交换器56将收集的热量传递至干燥剂室18或通过第三热交换器58将收集的热量传递至接触室20。
[0045]第一阀62可以邻近干燥剂室18连接到流体管线50以控制冷却流体至第二热交换器56的流动。可以设置旁路管线64，从而当第一阀62关闭时绕过第二热交换器56。
[0046]第二阀66可以邻近接触室20连接到流体管线50以控制冷却流体至第三热交换器58的流动。可以设置旁路管线68，从而当第二阀66关闭时绕过第三热交换器58。
[0047]因此，可以选择性地驱动阀62、66以控制何时分别向干燥剂室18和接触室20施加热量。
[0048]流体管线50也可以与散热器60流体连通。散热器60可以在冷却流体通过热传递组件24再循环回之前从冷却流体移除残留的热量。也考虑未再循环冷却流体的热传递组件。
[0049]参照图2，也公开了一种用于收集二氧化碳的方法，通常标为100。方法100可以在框102处以获得含二氧化碳气体的步骤开始。如上所述，含二氧化碳气体可以是来自发电厂诸如燃烧烃的发电厂的热流出物。也考虑使用其他含二氧化碳气体。
[0050]如在框104处所示，可以从含二氧化碳气体移除过多的热量。可以在冷凝器处移除过多的热量，所述冷凝器还有益地从含二氧化碳气体移除一些(如果不是全部)水蒸气。残留的水可以使用干燥剂从含二氧化碳气体移除，如在框106处所示，以得到基本上干燥的含二氧化碳气体。
[0051]来自干燥的含二氧化碳气体的二氧化碳可以被吸附到吸附剂材料上(和吸附到其中)，如在框108处所示。然后，如在框110处所示，被吸附的二氧化碳可以从吸附剂材料被解吸，诸如利用热和/或真空。被解吸的二氧化碳可以被转变成固体，诸如通过冷冻，如在框112处所示，并且二氧化碳可以被收集，如在框114处所示。
[0052]如在框116处所示，在框104处从含二氧化碳气体移除的过多热量可以用于再生干燥剂和/或吸附剂材料。也考虑将在框104处收集的热量施加到其他子系统。
[0053]因此，公开的系统10和方法100可以从含二氧化碳工艺气体收集过多热量——不论以何种方式必须被移除的热量——并且可以结合一个或多个其他子系统利用所述收集的热量，从而减少了系统和方法的总能量需求。
[0054]参照图3和4，还公开了一种用于吸附目标分子诸如二氧化碳、水或二氧化碳和水的组合的单块接触器，通常标为200。在一个应用中，该单块接触器200可以在公开的系统10(图1)的接触室20(图1)中使用。在另一个应用中，该单块接触器200可以在公开的系统10(图1)的干燥剂室18(图1)中使用。[0055]单块接触器200可以包括限定多个通道206的单块体部202。通道206可以被布置成蜂窝结构204，其中通道206由单块体部202的薄壁208限定。
[0056]单块接触器200可以由吸附剂材料形成。吸附剂材料可以是天然或合成的干燥吸附剂，诸如分子筛材料(例如，沸石材料)。吸附剂材料可以是多孔的或无孔的。例如，吸附剂材料可以是天然的或合成的沸石粉，如在本文中更详细描述的，其可以被粘合、模制、铸造或挤出以形成单块体部202。适合于形成单块接触器200的吸附剂材料在上面结合在干燥剂室18(图1)中使用的干燥剂材料和在接触室20 (图1)中使用的吸附剂材料进行了讨论。
[0057]由于单块接触器200形成为吸附剂材料诸如多孔陶瓷、沸石或其他合适的吸附剂材料(例如，均质吸附剂材料)的单一单块体部202，单块体部202的外表面210和壁208的表面的磨损或降解可能暴露新鲜的沸石材料。因此，单块接触器200在某种意义上可以是长期自我维持系统，其要求相对少的维修或更换以保持性能。
[0058]在一个实施方式中，单块接触器200可以由沸石3A或类似物形成，其中数字表示可用孔径，并且字母表示沸石的结构框架。沸石3A单块接触器200 (或多个沸石3A单块接触器200)可以在公开的系统10(图1)的干燥剂室18(图1)中使用以主要地以水分子为目标并将其从气流中移除。
[0059]在另一个实施方式中，单块接触器200可以由沸石13X或类似物形成，其中数字表示可用孔径，并且字母表示沸石的结构框架。沸石13X单块接触器200 (或多个沸石13X单块接触器200)可以在公开的系统10(图1)的接触室20(图1)中使用以主要地以二氧化碳分子为目标并将其从气流中移除。
[0060]就此而言，本领域技术人员将理解用来形成单块接触器200的吸附剂材料可以基于单块接触器200的预期用途(例如，目标分子)来选择。吸附剂材料可以以多个孔隙开口、腔、以及通道大小、和框架Si/Al比提供，这取决于作为吸附目标的分子。
[0061]不受限于任何具体理论，目标分子(一种或多种)(例如，二氧化碳；水)可以通过静电力(即，范德华力)——其是物理键而非化学键——保持在单块体部202的表面(包括孔隙内)。因此，由于目标分子与单块体部202的物理键合，与从化学键释放二氧化碳相t匕，释放二氧化碳所需的能量的量可以是最小的。如上所述，从单块体部202的解吸可以通过热和/或真空来实现。从单块体部202解吸吸附的分子的过程可以再生单块体部202，由此允许单块接触器200的进一步使用。
[0062]单块体部202可以包括外表面210、入口端212和出口端214，并且可以以多种几何形状形成。如图3中所示，单块体部202可以包括长度L、宽度W、和高度H。
[0063]作为一个非限制性实例，单块体部202可以包括长度L基本上大于宽度W和高度H的大体上矩形纵向形状，和大体上直线横截面形状。作为另一个非限制性实例，单块体部202可以包括长度L基本上等于宽度W和高度H的大体上正方形纵向形状，和具有相同的宽度W和高度H的大体上正方形横截面形状。也考虑对单块体部202使用任何其他几何纵向和横截面尺寸和形状。
[0064]由单块体部202限定的通道206可以是细长的通道，并且可以大体上与单块体部202的纵轴D(图3)平行延伸。例如，通道206可以从邻近单块体部202的入口端212 (即，在入口端处或附近)向邻近单块体部202的出口端214延伸。[0065]单块体部202的入口端212可以具有横截面积A (图4)，其可以由单块体部202的宽度W和高度H限定。同样地，单块体部202的出口端214可以具有横截面积，其可以由单块体部202的宽度W和高度H限定。尽管入口端212显示为具有与出口端214的横截面积基本上相同的横截面积A，但本领域技术人员将理解入口端和出口端212、214的面积可以不同。
[0066]通道206可以是延伸通过单块体部202的长度L的大体上柱形的通道。如图4中所示，每个通道206可以具有限定开口面积A'的宽度W'和高度H'。因此，每个通道206可以在端视图中具有正方形(或矩形)剖面。然而，也考虑其他端剖面，诸如规则形状(例如，六角形、圆形、卵形)和不规则形状。
[0067]单块体部202的横截面积A可以足以中断气体的流动，由此使气体流动通过通道206从入口端212至出口端214。当气体流过单块体部202时，其可以与外表面210和通道壁208接触，由此促进吸附。
[0068]在一种变型中，通道206可以是沿单块体部202的长度L延伸的基本线性的通路，以允许干燥气体30 (图1)的流从入口端212通过作为接触室20 (图1)的部件的单块接触器200并从出口端214流出；或允许部分干燥气体28 (图1)的流通过作为干燥剂室18 (图1)的部件的单块接触器200。
[0069]在另一种变型中，通道206可以包括沿单块体部202的长度L延伸的非线性通路。具有非线性通路或方向变化的通道206可以增加驱动气体流动通过单块接触器200所需的能量，并且可以增加压降。本领域技术人员可以理解，由通道206形成的纵向通路的线性特征变化可以取决于多种因素，包括气流沿纵轴D通过单块接触器200的期望的流速或压降。
[0070]与非线性通道相比，线性延伸的通道206 (例如，沿纵向方向D轴向延伸)的特殊优点在于需要较少的能量以驱动气流动体通过单块接触器200和当气体沿纵向方向D流动通过通道206时减小的压降。
[0071]通道206可以邻接地布置并且可以沿单块体部202的纵轴D(图3)平行延伸。每单位横截面积的通道206数目(例如，通道密度)可以依赖于多种因素变化，诸如流速。一种表达是，单块体部202可以包括至少约10个通道206/每平方英寸单块体部202 (在端视图中)。另一种表达是，单块体部202可以包括至少约20个通道206/每平方英寸。另一种表达是，单块体部202可以包括至少约50个通道206/每平方英寸。另一种表达是，单块体部202可以包括至少约100个通道206/每平方英寸。另一种表达是，单块体部202可以包括约20-约500个通道206/每平方英寸。又另一种表达是，单块体部202可以包括约100-约400个通道206/每平方英寸。
[0072]通常，单块体部202的蜂窝结构204 (图4)可以提供通道206的预定矩阵，使得延伸通过通道206的通路可以是一致的和可控的。单块结构的使用，以及通道206的矩阵的一致几何形状以及阻力的最小化，允许通过设计控制通过单块接触器200的流速和压降并且因此控制用于驱动气流所需的能量。这与使用用于吸附二氧化碳的吸附剂团粒的填充床形成鲜明对比，所述填充床典型地需要显著更多的能量用于驱动气流通过随机的孔隙而穿过填充的团粒。
[0073]本领域技术人员可以理解，单块体部202的形状，以及通道206的形状、尺寸和构造可以被优化以保持最大的表面积用于吸附二氧化碳并使通过单块接触器200的流阻最小化。不限于任何具体理论，认为，使用单块体部202实现的表面积与体积比优于使用其他材料(悬浮的胺)或构造(填充床)，并且使用其他材料(悬浮的胺)或构造(填充床)不能实现。因此，采用公开的单块体部202的系统与使用其他材料和构造的系统相比可以具有相对小的占地面积(footprint)。
[0074]优化单块体部202和通道206的尺寸、形状和构造可以使大量的二氧化碳(或其他目标分子)被吸附，同时使总占地面积和诸如通过空气移动装置14(图1)驱动气流围绕和通过单块接触器200所需的功率/能量最小化，由此使运行成本最小化。因此，使用物理吸附过程接着真空解吸的组合一其可以需要比传统化学吸附过程显著更少的再生用能量，具有与单块结构相关的低压降，可以显著地减少系统的总能量成本和总占地面积。
[0075]单块接触器200的结构构造和形状还可以包括由于单块体部202的蜂窝结构204而具有的高结构完整性，使得单块接触器200可以在宽范围的温度、压力和环境条件下是稳定的。
[0076]参照图5，还公开了一种用于制造单块接触器的方法，通常标为300。方法300通常可以包括将天然或合成的吸附剂组合物粘合、模制或挤出成粘合的单块体部的步骤。方法300可以在框302处以制备和提供吸附剂组合物的步骤开始。如框304中所示，吸附剂组合物可以穿过(例如，推过或拉过)挤出机的模具以形成挤出的单块体部，所述单块体部形成单块接触器，所述模具具有匹配设计的形状和构造的横截面。如框306中所示，可以使挤出的单块体部干燥成生坯状态。如框308中所示，干燥的单块体部可以被烧制(B卩，烧制干燥)，诸如在窑中。例如，干燥的单块体部可以通过将温度缓慢地升高达700°C，然后在700°C保持30分钟来烧制。可以使用多种其他的烧制温度和时间。
[0077]吸附剂组合物可以包括载体、粘合剂和吸附剂材料。例如，吸附剂材料可以是沸石材料。沸石材料可以是沸石3A、沸石13X等。一种表达是，吸附剂材料可以是粉末形式。载体可以是用来悬浮沸石材料并增加湿度的任何合适的液体物质，诸如水、醇、水和醇等等。载体的类型可以依赖于所需形式的粘度要求而变化，例如，铸造、滑移浇铸或挤出所需的。粘合剂可以是二氧化硅、氧化铝、磷酸盐或任何其他合适的粘合剂。一旦被干燥和烧制，通过将沸石颗粒烧结在一起，粘合剂可以提供沸石颗粒之间的桥接和交联。
[0078]可选地，载体和粘合剂可以作为吸附剂组合物的单一组分提供，其中粘合剂可以悬浮在液体载体内。例如，粘合剂/载体系统可以是胶体二氧化硅、胶体氧化铝等。也考虑使用其他粘合剂/载体系统。
[0079]使用水溶性胶体二氧化硅作为粘合剂可以包绕和渗入沸石颗粒。粘合剂可以具有合适的浓度以便为单块接触器提供增加的强度，同时不削弱沸石材料的物理性能，诸如损失孔隙率或降低吸附性能。
[0080]使用水溶性胶体二氧化硅与附加的小量磷酸盐作为粘合剂可以提供合适的耐久的和稳固的单块接触器，其可以维持测试并且可以多次循环，而不会使吸附效率劣化。磷酸盐可以用来辅助胶体二氧化硅烧结同时保持沸石粉的材料特性，诸如孔形状，而不损失效率(即，吸附二氧化碳的能力)。另外地，磷酸盐添加剂可以比单独二氧化硅粘合剂为单块接触器提供更高的强度。
[0081]考虑由沸石13X形成的单块接触器可以能够从具有至少10%的二氧化碳浓度的气流吸附(即，收集)80%或更多的可用二氧化碳。[0082]参照图6，在图1中所示的公开的系统10的另一实施方式中，多个单块接触器200可以在容器中被堆叠、聚集或另外地组装以形成干燥剂室18(图1)或接触室20 (图1)。单块体部202的稳固性质可以允许多个单块接触器200支撑另外堆叠的多个单块接触器200的重量。在这样的组件中，特定的单块接触器200或系列的单块接触器200可以根据需要被个别地或作为一组移除或替换。图6图解了系统的接触室20(图1)的一个实施方式；然而，可以理解干燥剂室18(图1)可以以基本上相似的方式构造。
[0083]接触室20'可以包括保存容器70，诸如罐，其具有侧壁72和中空的内部容积74。多个单块接触器200'可以在内部容积74内堆叠或聚集成阵列。一个或多个热交换器58可以布置在并遍布于内部容积74内。任选地，热交换器58可以与单块接触器200'中的一个或多个直接接触。例如，热交换器58可以是加热带、膜加热器、带加热器、夹置加热器(clamp-on heater)等。在一种执行方式中,热交换器58 (例如,带加热器)可以围绕每个单块接触器200'的外表面缠绕。在另一种执行方式中，热交换器(例如，带加热器)可以被夹在堆叠成排的或堆叠成列的单块接触器20(V之间，由此形成分层的加热构造。任选地，填料76可以布置在内部容积74内并围绕多个单块接触器200'。填料76阻断气体的流动并且防止气体在单块接触器200'中的一个或多个周围的高度流动。因此，大部分气体流动被强制在单块接触器200的外部上并且通过通道206 (图4)以增加吸附。作为一个实例，填料76可以是木框或木材填料。作为另一个实例，填料76可以是惰性材料，诸如陶瓷材料。在一种执行方式中，陶瓷材料可以被切割或另外地成形以适宜地填充单块接触器200/和容器70之间的间隙(例如，成形的陶瓷填料)。填料76还可以稳定单块接触器200的堆叠阵列。任选地，填料76可以向接触室20'提供绝热。
[0084]任选地，填塞填料78可以施加在热交换器58上或热交换器58周围或热交换器58和单块接触器200'中的一个或多个之间。填塞填料78阻断气体的流动并且防止气体在单块接触器200'中的一个或多个周围的高度流动。因此，大部分气体流动被强制在单块接触器200的外部上并且通过通道206 (图4)以增加吸附。作为一个实例，填塞填料78可以是木材。作为另一个实例，填塞填料78可以是惰性材料，诸如陶瓷材料。在一种执行方式中，陶瓷材料可以被切割或另外地成形以适宜地填充单块接触器200'和热交换器58之间的间隙(例如，成形的陶瓷填塞填料)。
[0085]本领域技术人员可以理解，当上述构造用作系统10(图1)的接触室20(图1)时，单块接触器200可以使用沸石13X形成以吸附二氧化碳分子。本领域技术人员还可以理解，当上述构造用作干燥剂室18(图1)时，单块接触器200可以由沸石3A形成以吸附水分子。
[0086]尽管已经显示和描述了公开的系统和方法的多个方面，但在阅读本说明书后本领域技术人员可以想到各种改动。本申请包括这些改动并且仅由权利要求的范围限制。
[0087]条款1.单块接触器200，包括:单块体部202，其具有入口端212和与所述入口端212相对的出口端214，其中所述单块体部202包括吸附剂材料，并且其中所述单块体部202限定多个从邻近所述入口端202向邻近所述出口端214延伸的通道206。
[0088]条款2.条款I所述的单块接触器，其中所述吸附剂材料包括分子筛材料。
[0089]条款3.条款I所述的单块接触器，其中所述吸附剂材料包括沸石材料。
[0090]条款4.条款3所述的单块接触器，其中所述沸石材料包括沸石13X。
[0091]条款5.条款3所述的单块接触器，其中所述沸石材料包括沸石3A。[0092]条款6.条款I所述的单块接触器，其中所述多个通道206基本上是直线的。
[0093]条款7.条款I所述的单块接触器，其中所述多个通道206具有每平方英寸至少10个通道的通道密度。
[0094]条款8.条款I所述的单块接触器，其中所述多个通道206具有每平方英寸至少50个通道的通道密度。
[0095]条款9.条款I所述的单块接触器，其中所述多个通道206具有每平方英寸至少100个通道的通道密度。
[0096]条款10.条款I所述的单块接触器，其中所述多个通道206具有每平方英寸约100个至约400个通道范围的通道密度。
[0097]条款11.条款I所述的单块接触器，其中所述单块体部202限定纵轴D，并且其中所述多个通道206中的每个通道沿所述纵轴D是细长的。
[0098]条款12.条款I所述的单块接触器，其中所述单块体部202还包括粘合剂。
[0099]条款13.接触室，包括:容器70 ;和容纳在所述容器70中的条款I所述的单块接触器200。
[0100]条款14.布置成阵列的多个条款I所述的单块接触器200'。
[0101]条款15.从工艺气体26收集二氧化碳的系统，所述系统包括用于从所述干燥气体吸附二氧化碳的接触室20，其中所述接触室20容纳单块接触器200，所述单块接触器200包括:单块体部202，其具有入口端212和与所述入口端212相对的出口端214 ;其中所述单块体部202包括沸石材料；并且其中所述单块体部202限定多个从邻近所述入口端212向邻近所述出口端214延伸的通道206。
[0102]条款16.条款15所述的系统，其中所述沸石材料包括沸石13X。
[0103]条款17.条款15所述的系统，其中所述接触室20容纳多个所述单块接触器200。
[0104]条款18.条款15所述的系统，还包括干燥剂室18用于从所述工艺气体26移除水以产生基本上干燥的气体。
[0105]条款19.条款18所述的系统，其中所述干燥剂室18容纳第二沸石材料。
[0106]条款20.条款18所述的系统，其中所述第二沸石材料组装为限定多个第二通道的
第二单块体部。
[0107]条款21.条款15所述的系统，还包括冷凝器16用于从工艺气体26移除热量。
[0108]条款22.—种制造单块接触器的方法，包括以下步骤:制备包含载体、粘合剂和吸附剂材料的吸附剂组合物[过程302];挤出所述吸附剂组合物以形成限定多个通道的单块体部[过程304];干燥所述单块体部[过程306];以及烧制干燥所述干燥的单块体部[过程 308]。
[0109]条款23.条款22所述的方法，其中所述吸附剂材料选自沸石13X和沸石3A。
[0110]条款24.—种用于收集二氧化碳的方法，包括以下步骤:提供包含二氧化碳和水的气态混合物[过程102]，和从所述气态混合物将至少一部分所述二氧化碳吸附到单块接触器上，所述单块接触器包括组装为限定多个通道的单块体部的沸石材料[过程108]。
[0111]条款25.条款24所述的方法，其中所述沸石材料包括沸石13X。
[0112]条款26.条款24所述的方法，还包括以下步骤:从所述气态混合物将至少一部分所述水吸附到第二单块接触器以形成基本上干燥的气态混合物，所述第二单块接触器包括被组装为限定多个第二通道的第二单块体部的第二沸石材料；并且从所述干燥的气态混合物将至少一部分所述二氧化碳吸附到所述单块接触器上。
[0113]条款27.条款26所述的方法，其中所述沸石材料包括沸石13X并且所述第二沸石材料包括沸石3A。
[0114]条款28.条款26所述的方法，还包括以下步骤:从所述气态混合物移除热量[过程104];并转移所述移除的热量。
【权利要求】
1.单块接触器200，包括: 单块体部202，其具有入口端212和与所述入口端212相对的出口端214， 其中所述单块体部202包括吸附剂材料，并且 其中所述单块体部202限定从邻近所述入口端202向邻近所述出口端214延伸的多个通道206。
2.权利要求1所述的单块接触器，其中所述吸附剂材料包括分子筛材料。
3.权利要求1所述的单块接触器，其中所述吸附剂材料包括沸石材料。
4.权利要求1所述的单块接触器，其中所述多个通道206基本上是直线的。
5.权利要求1所述的单块接触器，其中所述多个通道206具有每平方英寸至少10个通道的通道密度。
6.权利要求1所述的单块接触器，其中所述多个通道206具有范围从每平方英寸100个至400个通道的通道密度。
7.权利要求1所述的单块接触器，其中所述单块体部202限定纵轴D，并且其中所述多个通道206中的每个通道沿所述纵轴D是细长的。
8.权利要求1所述的单块接触器，其中所述单块体部202还包括粘合剂。
9.接触室，包括: 容器70 ;和 容纳在所述容器70中的权利要求1所述的单块接触器200。
10.布置成阵列的多个权利要求1所述的单块接触器200'。
11.制造单块接触器的方法，包括以下步骤: 制备包含载体、粘合剂和吸附剂材料的吸附剂组合物； 挤出所述吸附剂组合物以形成限定多个通道的单块体部； 干燥所述单块体部；以及 烧制干燥所述干燥的单块体部。
12.权利要求11所述的方法，其中所述吸附剂材料选自沸石13X和沸石3A。
【文档编号】B01D53/04GK103990352SQ201410048998
【公开日】2014年8月20日 申请日期:2014年2月12日 优先权日:2013年2月14日
【发明者】D·J·渥尔曼, D·A·加拉索, J·A·马格努森, G·D·格雷森, T·H·克罗克斯 申请人:波音公司