使用储存容器生成气流的方法与流程

本发明涉及一种使用用于生成气流的单元和储存容器来生成净化气流的方法。

大量的应用需要使用临时气体储存。每当气流的生成或使用不是恒定的且具有相等的值时，情况尤其如此。城镇燃气储气器就是这样的示例。气体的生成几乎是连续的，然而消耗在白天变化很大。

为了安全起见，例如在生成单元发生事故的情况下，希望保持一定量的气体，也会导致使用尺寸或大或小的容器。由于缺乏氧气而使炉(玻璃炉、焚烧炉、金属炉等)突然关闭会对设备或环境造成非常严重的后果。通常提供足够的储存库，以允许对单元进行受控关闭或切换至使用紧急氧化剂(空气等)的降级模式操作。

从生产到最终使用，生产线中的必要的中断也需要使用容器。例如，通过车辆分配加压气体将会通常需要第一次储存而不是装载，并且需要第二次储存而不是输送。

在事先对储存气体进行净化(也就是说，其组成与对应于其用途的含量规格相符)的大多数情况下，确保容器不会引入任何量的成分，以致意味着需要安装附加的最终净化。术语“容器”应理解为意指整个储存/取回功能。实际上，所储存的气体的任何污染都可能来自容器自身，如以下所示，但也可能来自正确操作所需的辅助设备。辅助设备将涉及：用于测量例如所使用的压力、温度、相对于最大工作容积的使用容积(储气器等)、成分、输入量和输出量等仪器装备，比如阀、隔离或流量控制装置(阀、阀闸等)的安全装置。机器(气体压缩机，注水泵等)也可以作为储存功能的一部分。所有这些元素都可能是污染物(基本上是大气气体)进入的原因，例如通过反向扩散。

来自储存库自身的污染可能有不同的来源。这可能涉及吸附在容器内壁上的成分的解吸。正常地，这种类型的污染在操作一段时间后会消失，但某些现象可能需要更多的关注。例如，杂质可以由原料气自身引入，但含量很少，与产物的最终规格相符。这种杂质可能具有吸附到容器的壁上的倾向，尤其是当容器的温度最低时。突然加热将会导致快速解吸以及气体中杂质的浓缩。在大陆或沙漠气候中储存可以因此在朝阳突然加热容器时使离开容器的气体中的水分形成比平均含量高10倍至100倍的瞬时峰值。

更常规地，其可能涉及使存在于容器外部的成分通过壁进行扩散。对于气球和储气器来说，这将基本上是co2和水分，它们特别好地通过大多数聚合物扩散。在地下储存库中，将可能会根据当地的地质情况而引入水分、co2、甲烷、h2s等。

如果储气器密封系统是液体密封型的，则可能会根据所用流体的性质而引入痕量的杂质(水、醇类等)。如果密封是“油脂”型的，还能够引入痕量的重烃。

最后，在地下储存库中，已经看到可以使用补充流体来帮助填充或提取气体。根据情况，则可以将水、co2或氮气引入到容器中的气体中。

因此，目前存在的情况是图1中示意性示出的两种情况之一。

从容器r中提取的气流b的含量满足其使用要求的规格，并且被直接发送给用户u(参见图1.a)。这意味着，考虑到进料流a的特征(尤其是其纯度和流速)，所引入的杂质的量足够低，以使出口处的产物总是与用户的规格相符。完全密封储存(例如，在压力下使用的不锈钢容器)通常是这种情况。

相反，当气流b的规格不符合其使用要求时，使用附加净化单元来除去不可接受的杂质(参见图1.b)。这种净化可以是各种类型的(催化反应器，化学捕集器，通过吸附、吸收、或渗透进行净化的单元等)。这种单元在支出和操作成本方面通常是昂贵的，并且将会消耗气体，从而降低整体产量。实际上，在最广泛用于这种最终净化的方法(例如吸附)中，通常很难仅提取杂质，而是相反，是经由还含有可采化合物的残渣进行的。

因此，出现的问题是提供一种改进的生成方法，其中来自储存容器的污染受到限制。

本发明的一个解决方案是一种使用用于生成气流的单元和包含杂质i的储存容器来生成净化气流b’的方法，所述方法包括以下步骤：

a)通过所述生成单元来生成气流a，

b)将所述气流a中的至少一部分储存在容器r中，

c)从所述容器r中提取与被所述杂质i污染的所述气流a的至少一部分相对应的气流b，

d)通过将所述气流b中包含的所述杂质i中的至少一部分转移到所述气流a中来净化所述气流b，以及

e)在所述净化的出口处回收净化气流b’。

视情况而定，根据本发明的方法可以展现出以下特征中的一个或多个：

-所述方法包括提取气流c的步骤。该气流c最多可以包括来自储存容器r的所有杂质。事实上，在容器中不应该有源源不断的杂质积聚。在最有利的情况下，积聚有自然极限，并且杂质含量不能超过最大值。例如，如果达到气相饱和、或者如果不再有任何驱动力生成杂质扩散流，就是这种情况。在这个假设中，理论上不需要清洗，即，第二部分从容器r流出(因为其部分载有杂质i)以限制杂质的积累。

相反的极端情况对应于无论内部气体的成分如何其中的杂质流都是恒定的容器。例如，可以想象到加压阻隔气体的微漏。如果流b被完全净化，则所有杂质将会最终进入流c中。流b与流c之间的比率将会给出流c的杂质含量：

-所述储存容器r是天然的或人工的地上储存容器或地下储存容器；

-所述地上储存容器是容积恒定且压力可变的容器、或容积可变且压力恒定的容器；

-所述储存容器r中包含的所述杂质i位于所述容器的壁上和/或位于用于密封所述容器的所述系统中和/或位于与所述容器相关联的附加设备中；

-所述净化步骤d)是通过吸附、吸收或渗透进行的；

-所述净化步骤d)是通过至少一种吸附物质的吸附进行的，并且包括两个子步骤：第一子步骤i)包括所述气流b并流通过所述吸附物质，以便除去所述气流b中包含的所述杂质i中的至少一部分，以及第二子步骤ii)包括所述气流a逆流通过由所述第一子步骤i)得到的吸附物质，以便使所述杂质i中的至少一部分解吸；

-所述吸附物质中的所述气流a与所述气流b的入口温度差小于50℃、优选地小于20℃；

-所述气流b的容积流速小于所述气流a的容积流速的90％、优选地小于65％、甚至更优选地小于50％；

-在步骤d)中使用单一吸附物质，并且使所述气流a和所述气流b的交替通过所述吸附物质；并且所述气流b是分批的，以便在使所述气流a通过所述吸附物质时不会从所述容器r中提取气流b；

-所述气流a是分批的，以便在使所述气流b通过所述吸附物质时，不会将所述气流a储存在所述容器r中；

-所述气流a至少包括50％的氢气或氦气，并且所述容器r是地上的容积恒定的储存容器或地下储存容器；

-所述气流a至少包括50％的氧气，所述氧气来自于用于从空气中通过吸附来分离气体的单元的至少一个吸附器；所述气流b能够使所述的用于从空气中分离气体的单元的至少一个吸附器再生、优选地进行再压缩；并且所述气流c构成了所述的用于从空气中分离气体的单元的富氧生成流，并且包括来自所述储存容器的所述杂质i。实际上，可以看出，在这种情况下，富氧生成流包含了在储存容器的水平处引入的杂质。这一点将会在本部分结束时并随后在第二个示例中再次讨论：

-所述净化步骤d)是通过吸附物质的吸附进行的，并且包括两个子步骤：第一子步骤i)包括所述气流b并流通过所述吸附物质，以便除去所述气流b中包含的所述杂质i中的至少一部分，以及第二子步骤ii)包括所述气流a逆流通过由所述第一子步骤i)得到的吸附物质，以便使所述杂质i中的至少一部分解吸；所述吸附物质包括活性氧化铝和/或硅胶和/或沸石；

-所述杂质i基本上是水和/或二氧化碳。

在此应注意，当随后使用富氧流时，几ppm(百万分之几)的水或二氧化碳通常没有影响。在另一方面，如果这些相同的杂质与确保o2/n2分离的吸附剂(尤其是沸石，例如锂交换的x型沸石)接触，则这些杂质将会显著改变吸附剂的吸附特征，直到使其对于预期方法无效。

在本发明的背景下使用的储存容器可以是任何类型和任何尺寸。大多数是金属的、由铝或钢制成。这些储存容器适合于在从大气压到几百巴的压力下储存气体。这些储存容器可以是几升的气瓶，容量从几m3到几百甚至几千m3。这些储存容器可以是球形的、圆柱形的、由数千米长的管道构成等等。

有由复合材料制成的储存器具、由混凝土制成的储存器具，其内壁通常覆盖有涂层以改善密封、由塑料(聚合物)等制成。后两种类型的容器通常用于低压储存(几巴)。

这些储存容器的容积恒定，并且通过压力变化进行储气/取气。

还有容积可变且压力几乎恒定的容器，尤其是接近大气压的容器。气球和储气器属于这个系列。储气器这个词通常用来指代这一系列的容积可变的储存容器。这些容器的容积范围是从几升到几千m3。除了已经提到的城镇燃气储气器之外，这种储存器具还存在于沼气生成单元中，用于回收由各种psa得到的低压气体(co2卸压psa中的富含co2的气体，氢气psa生成的废物等)。有各种类型的储气器，例如柱式、螺旋式、伸缩式、干式等储气器。最近，已经开发了单膜或双膜储气器。在后一种情况下，外膜提供了针对外部条件(风、冷、热、雨、雪等)的良好的抵抗力，而针对其与要储存的气体的相容性来选择内膜。气球尺寸较小，尤其用于收集各种方法中使用的少量稀有气体(氦气、氙气、氪气等)。这些气体则被回收。

另一种类型的气体储存是地下容器。这些地下容器通常是几千m3的巨大容器。这些地下容器要么是自然储存器具(以前的甲烷容器、以前的碳氢气化合物容器、蓄水器等、从地质上来说几乎不透水的洞穴等)或人工储存器具(以前的矿井坑道、通过盐的淋溶和溶解得到的洞穴等)。这些地下容器用于天然气、氢气，并且近来用于氦气。这些地下容器是容积可变和/或压力可变的容器。实际上，可以使用另一流体来排斥所储存的气体(氮气、水等)。储存压力则在几十巴到几百巴之间。

在气流c也被提取的情况下，气流c可以原样使用或者根据需要在下游单元中处理。

优选地，通过简单的方法利用了原料气不含或含有较低含量的所有来自储存的杂质的事实来实现杂质从流b到流a的转移。所讨论的方法将根据操作条件(压力、温度、流速、这些参数随时间的变化等)以及流b的纯度规格(考虑到其在下游单元中的使用)进行选择。渗透(图2.a)和/或吸附(图2.b)非常适合进行这种转移。在图2.a中，渗透单元10是洗脱型的。由于气体a最初不含杂质i，理论上可以从流b中除去所有杂质i。例如，聚四氟乙烯膜可以有利地除去经由容器污染流b的水分。应当注意，由于除了杂质之外，流a和流b具有相同的成分，因此其他成分很少或没有从流a转移到流b或从流b转移到流a。如果流a和流b处于相同的压力下，对于渗透器的任何类型的膜的构成都将是如此。否则，应为渗透器选择合适的膜，以防止所采成分的不希望的渗透。在通常情况下，将会提取含有杂质的流c。应当注意，这种非常简单的解决方案只有在容器供有流a的同时提取流b时才起作用。与流a相比，流b越弱，渗透器就越有效。然后杂质将在a中被强烈稀释，从而为其转移创造相当大的驱动力。

将通过图2至图4更详细地描述本发明。

在图2.b中，已经示出了吸附物质20，该吸附物质保留流b的杂质i。随着时间的推移，杂质向前朝向出口行进。就其本身而言，流a通过将杂质推回容器来使吸附物质30再生。应当理解，通过使吸附物质在流b与流a之间交替，可以生成净化流b。这样的系统不再要求流a和流b是同时的，并且提供了几个自由度。然而，流a必须能够从在吸附物质中停止的流b中提取所有杂质。本领域技术人员已知如何确定这种再生所必需的条件。例如，在恒定温度下，通过吸附剂的流a的实际量m³应该大于以逆流模式通过的流b的实际量m³。在两种气流的压力几乎相等的情况下(例如，除了压降之外的容器压力)，因此在理论上可以对占气流a的容积的约90％的气流b进行净化，但实际上较低的百分比将会得到更高效的单元。

还可以使用吸收方法40(换言之，闭环洗涤)，流b的洗涤液i由流a再生。后一种方法的缺点是将用于洗涤的成分引入系统(参见图2.c)。

应当注意，所提出的方法不同于常规净化方法，通过该方法，将杂质提取出来以排出系统。在这种情况下，利用其本身不含所述杂质或含有少量杂质的事实，将杂质转移到容器原料气中。因此，不会损失可采成分。另一个优点可以是实现本发明的简单性。示例2尤其展示了本发明的这个方面。

将杂质从容器重新引入到这个相同的容器的进料气中似乎很矛盾，但实际上许多应用都非常适合这种情况。在此，这些示例将会再次展示这一点。

图3.a示意性地表示了氢气的生成、储存、运输和分配单元。在单元10中生成纯度为99.99mol％的氢气。这个单元10尤其包括形成h2分子的天然气蒸汽转化、以及将该氢气净化至所需纯度的psa。这些是本领域技术人员熟知的非常常规的单元。根据所需的生成能力、地理位置和经济条件，将有可能存在用于生成氢气分子的其他单元(丙烷、甲醇的转化，电解等)。这种净化氢气1的大部分被注入到在盐沉积物中形成的地下容器20中。所储存的容积对应于若干周的消耗。从容器中提取出氢气的一部分3并供给管道4，该管道为若干个位于几十甚至几百公里以外的用户(4.1、4.2、4.3、4.4等)提供服务。其中一些客户要求极高的纯度(99.9999mol％)，并且然后刚好在消耗场所的上游进行二次净化。然后，其例如是被用于制造电子部件的氢气。然后，通常在液氮温度下通过低温吸附进行二次净化。

在正常操作中，将10％数量级的少量纯氢气2直接送入本地网络。所需的纯度与生产的纯度一致。

容器20基本上具有2种功能。首先是能够实现在很长的消耗周期内的均匀生产。事实上，在各种用户中，氢气的需求远不是恒定的：一些使用h2的方法是分批的，一些在低负荷或高负荷下周期性地操作，等等。因此，尽管有所有这些变化，但是仍可以对单元10进行定期操作，从而优化生产。也可以使其在额定流率下(也就是说，在最佳可能条件下)操作几个星期，并且完全关闭一个星期。还可以利用能源优惠关税并根据需求暂时停止或减少生产，从而节省大量能源成本。

容器20的另一个功能是储备大量气体，以在继续向用户供应氢气的同时补偿单元10的不可预见的或计划的关闭。

由于当地的地质情况，容器20基本上是密封的，但是一些杂质从壁传递到气体。这些杂质将基本上是水分，可能是痕量的hcl、h2s、co2。根据容器的地质性质，可能会发现痕量的各种碳氢气化合物。这些少量的附加杂质通常是大多数用户可接受的，产物1的纯度通常高于直接使用氢气所需的规格。在相反的情况下(也就是说，需要非常纯的氢气)，已经提供的附加净化40通常能够除去附加杂质。

在另一方面，这些杂质对本地网络2来说可能是麻烦的，该本地网络通常直接供有净化氢气，然后会周期性地经历附加杂质。常规的解决方案则是使用附加净化单元30来处理直接从容器提取的气流5。这种只是偶尔使用的单元(图3.a中的30)不是低温型的，因为这些单元虽然在操作方面非常安全，但是非常昂贵，需要特殊的设施。(液氮)，并且不能很好地进行分批操作。基本解决方案将会是tsa(变温吸附)型吸附净化单元，其成比例地保留杂质并生成所需规格6的氢气流。吸附剂的再生可以或多或少地是复杂的，取决于是否希望限制清洗流7中的氢气损失。这种单元将包括2个或3个吸附器、一个电加热器或蒸汽加热器、以及一个滑阀，以允许循环进行。

在根据本发明的解决方案中(图3.b)，流体1进入容器的上游，仅将吸附物质50整合到该流体的路径中。这种物质在正常操作中被氢气流长时间吹扫，在这种情况下，psa将被净化氢气中存在的残留杂质(痕量的co、ch4、n2)饱和，但将会完全不含水、hcl等……。当生成单元10停止时，网络4通常将会从容器供应。还将从容器5中提取局部使用的流，并且将在与流1相反的方向上通过吸附物质50。该物质将根据存在的杂质、可接受的量以及预期的操作持续时间(例如，维护的停机时间等)进行配比。吸附剂的量通常大于上述基础解决方案中所需的量，但是操作简单、没有辅助设备以及没有材料损失的事实意味着后一种解决方案的总成本比常规解决方案低得多。它还更安全，因为它不需要连续的吸附和解吸阶段来进行操作。

当单元10重新投入生产时，吸附物质的再生自然发生。然后，流1以逆流模式通过各种吸附剂床(沸石、活性氧化铝、硅胶等)并夹带由流5引入的杂质。由于在吸附和解吸方法中温度保持大致恒定并接近环境温度，在理论上，输送到储存容器的流1的体积量(实际m3)大于流5的体积量就足够了，以便能够进行再生。实际上，可以获得更大体积的气体，吸附物质将被完全再生并为流5的下一次净化做好准备；应当注意，流5的温度低于流1的温度将促进杂质停止及其再生两者。相反，较低压力的流5可能需要更大的吸附物质。这些是本领域技术人员已知的，他们将不会难以确定良好操作所需的参数(吸附剂类型、有用物质等)，并且在此不需要更详细地描述净化50的精确配比。

第二个示例涉及用于通过吸附从大气中生成氧气的单元。更具体地，它是一种vsa型单元，其中氧气是在接近大气压(1.10巴的绝对压力)的压力下生成的(称为循环高压)，并且再生是通过产生最低压力的真空来进行的(称为低压，0.35巴级的绝对压力)。这种类型的vsa单元有许多循环，不同之处在于吸附器的数量、所用储存容器的数量以及子步骤(平衡、减压、洗脱、再压缩等)的类型和/或顺序。在此没有必要对所讨论的单元进行详细讨论。就本发明而言，仅有几个特征是令人感兴趣的。

图4示意性地示出了这种氧气生成单元。氧气生成单元包括以相移方式操作的2个标记为10和20的吸附器。通过压缩机30(在此实际上是风扇型的)将空气1引入系统。通过提取富氮残渣6的真空泵40来形成真空。

由吸附器(例如10)生成、并且没有立即用于另一个吸附器20的再生(图中的流4)的氧气在通过净化单元60之后被送至储存50(气流a，在此对应于气流2)。从储存容器50中以恒定的流速连续提取气流c(图中的气流3)，该气流构成该单元的生成。离开吸附器的氧气生成不是连续的，而是仅在“吸附”的一半阶段发生。此外，如以上所指定的，部分氧气直接用于另一个吸附器的再生。缓冲容器50(储存容器)因此对于储存来自吸附器的氧气是必要的，以确保恒定的生成。由于在所选择的示例中氧气是在略高于大气压的压力下生成的，所以对于储存容器50来说非常有利的解决方案是使用储气器。气体的压力随后将保持恒定，例如1.050巴的绝对压力，并且在循环期间容器的容积将会自然变化。这种类型的储气器是常规且便宜的。然而，由于壳体是由聚合物制成的，并且由于所述聚合物对水有轻微的渗透性，少量的大气水分将会污染通过吸附产生的非常干燥的氧气。在几乎所有应用中，这些痕量的水分对下游方法没有影响，可以完全接受。然而，在这里使用的循环中，在另一个吸附器不再生成氧气的步骤中，必须在使用氧气进行再生的过程中完成吸附器的再压缩。因此，储存在储存容器50中的一部分氧气(流5＝气流b)应该用于此目的。已经发现，储存的氧气中含有痕量的水分，大约为1ppm或几ppm。这些数量很小，但对vsa来说却是不可接受的。这是因为这种水将被截留在沸石上的吸附器顶部，在每个循环中将氮与氧分离，然后在积聚之后，随着氮的解吸，水将趋向于朝向吸附器的入口迁移。

水分是沸石的抑制剂，尤其是为这种应用开发的lilsx，它非常有效，但对水也极其敏感。这种风险是通过在大气压下操作的吸附来生成氧气的单元(根据当前的名称为vsa型)通常包括两个以上的吸附器，以便能够在吸附器的出口处连续生成氧气，并且由此避免低压储存。

显而易见的是，通过将简单的吸附物质60放置在储存容器的上游(在生成方向上)，就可以明确地解决水分的问题。气流a(流2)在储存于储存容器50中之前以逆流模式通过吸附物质。然后，受到来自储存容器的杂质污染的气流b(流5)以顺流模式通过吸附物质。进入储存容器的气体与为再压缩而提取的气体的压力和温度几乎相同。进入储存容器的气体量远远大于为再压缩而提取的气体量。其事实上对应于再压缩量的增加。因此，吸附物质在每个阶段都可以毫无困难地再生。至于湿度，其随产物3(气流c)自然排出。

在其他循环中，从容器中提取的氧气也可以用于在真空泵吸结束时对吸附剂进行全部或部分洗脱。问题是完全相同的。

应当注意，根据本发明刚好放置在容器上游的吸附物质根本没有与放置在每个吸附器顶部的吸附物质相同的效果。这是因为，为了使吸附器能够连续生成氧气，再生动力应该将杂质(基本上是氮气)带向吸附器的入口。真空泵的作用从出口到入口形成再生能量。换言之，如果吸附物质放在吸附器的顶部，就不可能像本发明的原理的情况那样在生成中带走所有的水。