增强被污染的蒸气吸附以提高吸附介质的处理能力的系统和方法与流程

本申请要求2018年1月10日根据35u.s.c.§§119,120,363,365和37c.f.r.§1.55和§1.78提交的美国专利申请序列no.15/866,683的权益和优先权，并且该申请和本申请要求于2017年1月10日根据35u.s.c.§§119,120,363,365和37c.f.r.§1.55和§1.78提交的美国临时申请序列no.62/444,551的权益和优先权，其中的每一个都通过引用并入本文。

发明领域

本发明涉及一种增强被污染的蒸气吸附以提高可再生的合成吸附介质的处理能力的系统和方法。

发明背景

各种生产设施，例如石油炼厂、化学生产厂等，可产生大量被烃、挥发性有机化合物等污染的蒸气，这些蒸气通常通过各种类型的排放出口处理和排出。

在石油炼厂、化学生产厂等中使用的许多常规系统和方法通常依赖于颗粒活性炭(gac)系统和方法来从通过排放出口和/或处理污水管排出的蒸气中去除污染物。该方法通常涉及将被污染的蒸气引导至两个容器，串联连接为前置和后置容器，每个容器中具有颗粒活性炭(gac)。所述受污染的蒸气吸附到gac上以提供排放到大气中的处理过的蒸气。排放的蒸气必须符合严格的联邦监管合规指南，例如由benzenewasteoperationsnationalemissionstandards提供的hazardousairpollutants(neshaps)，也称为“bwon”。

然而，这种传统的系统和方法需要频繁且昂贵地更换处理容器中的gac。这导致在更换过程中的过程中断、与整个生产设施中的移动容器相关的物流复杂性、在容器调换期间潜在的操作员错误、安全问题、碳床火灾的可能性，与来自gac再生的废物副产物相关的责任问题、以及诸如与监管合规不一致等环境问题。

利用gac去除被污染的蒸气的一些常规系统和方法可以使用热交换器来对被污染的蒸气的流进行除湿。这样做是因为gac会受到湿度的不利影响。热交换器有时也用于防止床层着火、烃聚合和/或某些溶剂氧化成有毒或不溶性化合物。参见例如，khan等，"removalofvolatileorganiccompoundsfrompollutedair",journaloflosspreventionintheprocessindustries,13(2000),527-545，和muzenda，e，"acriticaldiscussionofvolatileorganiccompoundsrecoverytechniques",internationaljournalofbiological,ecologicalandenvironmentalsciences，第2卷第4期,2013,73-78，在此引入作为参考。

使用gac处理被污染的蒸气的系统和方法的一个重大挑战是不能在设施就地有效地再生废的或使用过的gac。试图就地再生废gac的常规系统和方法提供不完全再生，因为它们可能不能从废gac中完全解吸(例如，除去)污染物。这导致称为“发展之踵”的现象，并且废弃的gac必须在场外运输到热再生设施，其中碳被加热到约1,500°f到约1,700°f从而破坏吸附的污染物。

通过在容器中使用合成吸附介质代替gac可以克服发展之踵的挑战。合成吸附介质的实例尤其包括聚合物树脂例如dowexv503和碳质树脂例如560。这些树脂可以使用来自设施的蒸汽在现场在容器中就地再生并且可以重复使用通常数百或数千次，没有显著的发展之踵并且不需要移动或运输合成吸附介质或者所述容器。

与合成吸附介质相关的缺点包括：它比gac更昂贵，并且通常对石油炼厂、化学生产设施等中的烃污染物具有较低的吸附能力。合成吸附介质的优点包括：它可以使用来自设施的蒸汽源在现场在容器中就地再生，并且通常没有与发展之踵相关的任何问题，因此可以多次再生而不会显著损失处理量。此外，合成吸附介质不会受到湿度的不利影响。因此，来自再生过程的被污染的蒸气的流在处理之前不需要除湿，这可能是某些常规gac系统和方法所需要的。

附图的简要说明

从以下优选实施方案的描述和附图中，本领域技术人员将想到其他目的、特征和优点，其中：

图1是显示通过吸附到储存在前置容器和后置容器中的gac去除被污染的蒸气的常规系统的一个实例的示意方框图。

图2是显示需要从设施中取出以再生的传统gac容器的一个实例的三维视图。

图3是显示用于增强被污染的蒸气的吸附以提高本发明吸附介质处理能力的系统的一个实施方案的主要组件的示意方框图。

图4是介质再生子系统的一个实施方案的示意方框图，该子系统可用于再生图3所示的前置容器中的介质。

图5是显示用于增强被污染的蒸气的吸附以提高吸附介质的处理能力的系统的另一个实施方案的主要组件的示意性方框图，其中图3中所示的前置容器和后置容器已经颠倒；和

图6是介质再生子系统的另一个实施方案的示意性框图，该子介质再生子系统可用于再生图5所示的前置容器中的介质。

发明详述

如背景部分所述，各种制造设施如石油炼厂、化学生产厂等产生大量被污染的蒸气。

图1显示了常规系统的一个实例，该系统可用于通过将污染的蒸气吸附到储存在容器中的gac上来除去污染的蒸气。在该实例中，传统的被污染的蒸气去除系统10包括前置容器12和后置容器14，两者都具有gac16，如图所示示例性地示出，其通过吸附去除被污染的蒸气18。

在该实例中，前置容器12可以通过入口20接收例如来自石油炼厂、化学生产厂等的被污染的蒸气18，并且通过扩散器22将被污染的蒸气18引入到前置容器12中。通常使用鼓风机将被污染的蒸气18的流引入前置容器12。然后前置容器12中的gac16通过吸附除去被污染的蒸气18。为了确保最小化被污染的蒸气18排放到大气中的冗余度，系统10通过管线24将任何剩余的被污染的蒸气18的流从前置容器12排出到后置容器14。后置容器14通过扩散器26将被污染的蒸气18引入后置容器14中并使用gac16对被污染的蒸气18进行额外的吸附。最终处理的蒸气或流出物28通过出口30排放到大气中。

在操作期间，经由分接头(tap)32使用光电离检测器(pid)或类似类型的装置经常监测管线24中被污染的蒸气18的浓度水平。类似地，出口30中被污染的蒸气18的浓度水平通过分接头34使用pid或类似类型的装置经常监测。当在分接头32处确定管线24中的由前置容器12排出的被污染的蒸气18的浓度太高时，其中具有gac16的前置容器12必须用具有清洁gac16的新容器替换。为此，入口20中的被污染的蒸气18的流动被中断并完全停止并被引导至后置容器14。其中具有gac16的前置容器12与系统10断开连接并且经过整个生产设施、石油炼厂、化学生产厂等被运输到异地再生。更换前置容器12的过程非常麻烦，由操作人员手动执行，并且需要分离软管等。该过程需要手动分离入口20和管线24(通常采用大体积软管的形式)，例如图2所示的管线24，其中相同的部件已经给出了相同的数字。在分离之后，具有使用过的gac的容器，例如前置容器12，经过生产设施，例如石油炼厂、化学生产厂等被运输，通常用叉车运送到前置容器12中的gac16可以装载上卡车的位置并运到场外进行热再生。这种麻烦、耗时的手动过程可能导致操作员错误，导致与移动容器通过设施相关的物流复杂性，容器调换期间可能的操作员错误以及与监管合规不一致。还存在与gac再生过程的废产物相关的责任问题。另外，当前置和后置容器同时更换时，引入了复杂性、劳动和成本。

图3中显示了用于增强被污染的蒸气的吸附以提高可再生的合成吸附介质的处理能力的系统50及其方法的一个实施方案。系统50包括入口52，入口52构造成接收被污染的蒸气的流54，例如来自各种生产设施，例如石油炼厂，化学生产厂等。与以上参考图1所讨论的使用gac16的传统系统10不同，系统50包括可再生的合成吸附介质或树脂，在容器56和/或容器80中以58表示。因为系统50在容器56和/或80中使用合成吸附介质58，它可以在各种生产设施(例如石油炼厂、化学生产厂等)在容器56和/或80中使用蒸汽源(例如可在设施随时获得的蒸汽供应152(在下面讨论))就地现场再生。容器56和/或80各自构造成通过吸附到合成吸附介质上从冷却的被污染的蒸气的流54中去除污染物。为了提供冷却的被污染的蒸气的流，系统50包括蒸气冷却子系统60，其连接到入口52，构造成冷却入口52中被污染的蒸气的流54，并在流体管线62中排出冷却的被污染的蒸气的流54。在一个设计中，蒸气冷却子系统60包括蒸气冷却器64和冷却器66，其构造成将被污染的蒸气的流54冷却到期望的较低温度，例如，在约0°f至约70°f范围内的任何低温，并通过流体管线62排出冷却的被污染的蒸气的流54。

在一个实例中，合成吸附介质58可包括合成吸附介质，例如聚合物树脂，例如dowexv503，或碳质树脂，例如560。

本发明人发现，在被污染的蒸气的流54进入容器56或容器80之前，通过用蒸气冷却子系统60冷却被污染的蒸气的流54，容器56和/或容器80中合成吸附介质58的能力显著增加。在一个实例中，使用蒸气冷却子系统60将入口52中的被污染的蒸气的流54从入口52中的约90°f冷却到流体管线62中的约70°f。在该实例中，冷却约20°f将合成吸附介质58(在本例中为dowexv503)的处理能力提高了100％以上。在其他实例中，入口52中的被污染的蒸气的流54可以在流体管线62中使用蒸气冷却子系统60冷却到上述任何所需的低温，并且合成吸附介质58的处理能力将根据流体管线62中的冷却的被污染的蒸气流冷却的温度而增加。

通过使用蒸气冷却子系统60提供冷却的被污染的蒸气的流来提高容器56和/或容器80中的合成吸附介质58的吸附能力，减少了所需的吸附合成介质的量，并因此减小了容器56和/或80的尺寸，其可以减小系统50的整体尺寸。这减少了与系统50相关的占地面积要求和资金成本。

用于增强被污染的蒸气的吸附以提高可再生的合成吸附介质的处理能力的系统50及其方法的一个或多个实施方案克服了与使用合成吸附介质进行蒸气处理相关的经济挑战。在发现通过用冷却子系统50降低进入的被污染的蒸气的温度可以显著增加合成吸附介质的吸附(例如处理)能力之后，克服了与使用合成吸附介质相关的成本缺点，这可以显著减少处理所需的合成吸附介质的量(例如，约50％至约80％)。这明显降低了系统50的整体尺寸和处理成本。此外，在各种生产设施(例如石油炼厂、化学生产厂等)中的许多被污染的蒸气的流被被动地排出，因此具有非常低的流速(例如，小于2scfm)。这种低流速有利于使用小的并且因此便宜的蒸气冷却系统。本发明的一个或多个实施方案的小型廉价蒸气冷却子系统60的组合及其对系统50的尺寸和成本的实质有益影响克服了与使用合成介质处理被污染的蒸气相关的经济挑战。结果是本发明的用于增强被污染的蒸气吸附以提高可再生的合成吸附介质的处理能力的系统50及其方法的一个或多个实施方案，提供了一种划算的、紧凑的、可持续的被污染的蒸气处理系统和方法，如下面详细讨论的，可以在设施中现场和在容器中就地再生合成吸附介质，以有效地克服与如上所述的使用gac和合成介质相关的多个挑战。

在一种设计中，系统50的一个或多个容器，如图3所示，优选地包括多个容器，每个容器中具有合成吸附介质58，例如其中具有合成吸附介质58的容器56，被构造为如图所示的前置容器56，并且其中具有合成吸附介质58的容器80被构造为如图所示的后置容器80。

在图3所示的实例中，被污染的蒸气的流54进入入口52并由蒸气冷却子系统60冷却，并且流体管线62中的被污染的蒸气54的冷却流被输入到阀100，阀100优选地是自动的，连接到控制器124并由其控制。如图所示，阀100将冷却的被污染的蒸气的流54引导到管线102并进入前置容器56。使用合成吸附介质58通过吸附除去被污染的蒸气54的冷却流中的被污染的蒸气。然后通过管线104将前置容器56的排出物引导至阀106，阀106优选地是自动的，连接至控制器124并由其控制。然后，阀106将被污染的蒸气的流54引导至管线108并进入阀110，阀110优选地是自动的，连接到控制器124并由其控制。阀110然后通过管线112将被污染的蒸气的流54引导加到具有合成的吸附介质58的后置容器80中，其中的吸附介质58通过吸附解吸(desorbs)任何残留的污染蒸气。然后将后置容器80的排出物引导到管线114和阀116，其优选地是自动的，连接到控制器124并由控制器124控制。阀116将后置容器80的排出物引导到出口120作为处理后的流出物122，其被排出进入大气。

系统50还优选地包括分接头128，例如pid或类似类型的装置，其连接到管线104和控制器124，可用于监测由前置容器56排出的管线104中的被污染的蒸气54的冷却流中的被污染的蒸气的浓度。系统50还优选地包括分接头126，例如pid或类似类型的装置，连接到管线120可用于监测出口120中任何被污染的蒸气的浓度。

当确定由容器56或容器80之一排出的被污染的蒸气的浓度超过预定浓度时，例如，百万分之50，这表明容器56或容器80中的合成吸附介质58需要再生，系统50包括连接到容器56或容器80之一的介质再生子系统150。介质再生子系统150构造成接收蒸汽152，例如来自各种生产设施例如石油炼厂、化学生产厂等的蒸汽，并且引导蒸汽152通过在容器56或容器80之一中的合成吸附介质58，通过解吸去除吸附到介质56上的污染物，以有效且高效地再生合成吸附介质58。

在图3所示的实例中，当确定管线104中的前置容器56排出的被污染的蒸气浓度超过预定浓度时，流体管线62中的被污染的蒸气54的冷却流，如图4所示，其中相同的部件已经给出了相同的数字，通过关闭阀门100(图3)和打开阀门200(图4)被引导至后置容器80，其现在变成前置容器80，阀门200优选是自动的，连接到控制器124并由其控制)。此时，系统50中的容器80是唯一操作的容器，系统50“裸露”运行。在该实例中，系统50利用介质再生子系统150通过打开阀202将蒸汽152引导到容器56中，此时称为再生容器56，阀202优选地是自动的，连接到控制器124并由其控制并且引导蒸汽至再生容器56。蒸汽152通过解吸除去吸附在介质56上的污染物，从而有效且高效地再生再生容器56中的合成吸附介质58。

介质再生子系统150优选地包括通过阀204连接到再生容器56的出口156，阀204优选地是自动的，连接到控制器124并由其控制，以及流体管线158，其将再生容器56排出的被污染的蒸汽引导到冷凝器子系统160。冷凝器子系统160将被污染的蒸汽冷凝成液体并通过管线164排出所述液体。冷凝器系统160优选地包括冷凝器166，其接收冷却水168。在一个实例中，冷却水168可以来自石油精炼厂、化学生产厂等。然后，管线164中的液体优选地被引导到工厂污水管子系统170、产品回收系统172和/或能量再生子系统174。

在再生容器56中的合成吸附介质58已经成功再生之后，阀202、204和116关闭，并且优选自动的，连接到控制器124并由其控制的阀130、206和208打开，使得再生容器56变成前置容器80的后置容器56，如图5所示，其中相同的部件已经给出了相同的数字。

在另一个实例中，当确定由前置容器80(图5)排出的被污染的蒸气在管线114中的浓度超过预定浓度时，例如，使用分接头300，pid或类似类型的装置，流体管线62中的被污染的蒸气54的冷却流被引导到后置容器56，如图6所示，其中相同的部件已经给出了相同的数字，通过关闭阀门106、200和206并打开阀门100和208，现在成为前置容器56，如图6所示，其中相同的部件已经给出了相同的数字。此时，系统50中的前置容器56是唯一操作的容器，并且系统50“裸露”地运行。

在该实例中，系统50利用介质再生子系统150通过打开阀220将蒸汽152引导到容器80中，此时称为再生容器80，阀220优选地是自动的，连接到控制器124并由其控制并且引导蒸汽到再生容器80。蒸汽152通过解吸除去吸附在合成吸附介质58上的污染物，从而有效且高效地再生再生容器80中的合成吸附介质58。

类似地，如以上参考图5所讨论的那样，再生子系统150优选地包括通过阀222连接再生容器80的出口156，阀222优选地是自动的，连接到控制器124并由其控制，和管线224，其将再生容器56排出的被污染的蒸汽引导到连接到冷凝器系统160的出口156。冷凝器系统160将被污染的蒸汽冷凝成液体并通过管线164排出所述液体。冷凝器系统160优选地包括接收冷却水168的冷凝器166。在一个示例中，冷却水168可以来自石油炼厂、化学生产厂等。管线164中的液体可以被引导至工厂回收子系统170，产品回收系统172和/或能量再生子系统174。

在再生容器80中的合成吸附介质58已成功再生之后，阀208、220和222关闭，并且阀106、110和116打开，并且任何所需的适当阀门关闭和打开，使得再生容器56变为如图3所示的容器56处于前置位置的后置容器80。

在图3-6中示出的的一个或多个控制器124可以是处理器、一个或多个处理器、专用集成电路(asic)、固件、硬件和/或软件(包括固件、常驻软件、微代码等)或者硬件和软件的组合，在本文中通常都可称为“控制器”，其可以是用于增强被污染的蒸气吸附以提高本发明的可再生的合成吸附介质的处理能力的系统和方法的一部分。用于执行本发明的用于增强被污染的蒸气的吸附以提高可再生的合成吸附介质的处理能力的系统50和方法的一个或多个实施方案以及控制器124的指令或操作的程序的计算机程序代码，可以用一种或多种编程语言的任何组合编写，包括面向对象的编程语言，例如c++，smalltalk，java等，或传统的过程编程语言，例如“c”编程语言或类似的编程语言。

结果是系统50及其方法增强了被污染的蒸气的吸附以提高合成吸附介质的处理能力。因此，与通过吸附除去被污染的蒸气的常规系统相比，系统50的尺寸可以显著减小。如上所述，这显著减少了系统50的占地面积、成本以及与必须更换其中具有废吸附介质的容器相关的问题。在一个实例中，构造的系统50的dowexv503的吸附介质增加的处理能力至少是构造的未被蒸气冷却子系统60冷却的dowexv503系统的吸附介质的两倍。另外，具有多个优选自动阀、流体管线和控制器124的介质再生子系统150消除了过程中断以及人工操作员手动更换包含gac的容器的需要。这减少了环境问题，例如与监管合规的不一致，并消除了与通过整个生产设施移动容器的物流复杂性相关的问题以及容器更换期间潜在的操作人员错误，这也可能导致与监管合规的不一致。系统50也不需要任何风扇或鼓风机来引导被污染的蒸气的流进入其中具有吸附介质的一个或多个容器中。

尽管在一些附图中示出了本发明的具体特征而在其他附图中没有示出，但这仅是为了方便，因为每个特征可以与根据本发明的任何或所有其他特征组合。这里使用的词语“包括”、“包含”、“含有”和“具有”将被广泛和全面地解释，并且不限于任何物理互连。此外，本申请中公开的任何实施方案不应被视为唯一可能的实施方案。本领域技术人员将想到其他实施方案，并且这些实施方案在所附权利要求内。

此外，本专利申请处理过程中对本专利所进行的任何修改不是对申请时提交的本发明中的任何权利要求元素的权利放弃，这是由于，要求本领域技术人员写出字面上包括所有可能等同替换的权利要求是不合情理的，进行修改时是不能预见到很多等同替换的，因而这些等同替换是超越对要放弃(如需放弃的话)的权利的公平阐释的，修改所基于的解释可能仅和许多等同替换稍有关联，并且/或者有许多其它原因使得不能期望申请人描述所修改的权利要求元素的非实质性替代。