专利名称：结合压力波动和置换净化进行气体分离的设备和系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及吸附气体分离装置和系统，尤其涉及旋转吸附气体分离装置和系统、以及燃料电池申请和搜寻空气技术相关专利和专利申请，包括6,406,523，09/808,715，10/039,040和60/351,798，特此引用这些披露的内容。
背景技术：
为了浓缩包括组分A和组分B的输入气体混合物中的组分A，就需要提供一种更容易吸附组分B、而不容易吸附组分A的吸附材料，如现有工艺中披露的那样。吸附材料经过布置与吸附器或者吸附剂床的气流道接触。在工艺的输入步骤中，当将气体混合物以输入压力和温度输送到吸附器的第一末端时，优先吸附组分B，当吸附器变得载有组分B时，富含在组分A中的第一产品就可以从吸附器的第二末端排出，然后吸附器进行再生在逆向过程中释放出组分B，以便该过程可以周期性的重复。
再生过程可以通过压力波动、置换净化、热波动策略或者这些策略的组合来实现。富含吸附气体(比如二氧化碳)的导电吸附剂(比如碳基吸附剂)的再生可以通过在所谓的电波动吸附中施加电流来实现，已经有人对这种方法提出了权利要求。
在现有技术的压力波动吸附(PSA)系统或者真空压力波动吸附系统(VPSA)中，与吸附剂保持接触的气体的总压在输入步骤之后逐渐降低(压力波动)，从而降低与吸附剂保持接触的组分B的分压，然后释放出组分B，组分B将利用富含组分A的逆流部分通过净化来排出。当吸附器中的气流从吸附器的第一末端流向第二末端时，吸附器中气体混合物的总压升高，当吸附器中的气流从吸附器的第二末端返回第一末端时，吸附器中气体混合物的总压降低。结果，一种“轻”的产品(一种容易吸附的气体耗尽而不容易吸附的气体A浓缩的气体)从吸附器的第二末端排出，而一种“重”的产品(一种富含强烈吸附组分B的气体)从吸附器的第一末端排出。
可选地，在再生步骤中可以保持总压近似地固定，优选地，组分B则被第三种不容易吸附组分C释放出来，组分C不是输入气体混合物中的一部分，利用按逆流方向从吸附器的第二末端输送到吸附器的第一末端的组分C(置换净化)，降低与吸附器保持接触的组分B的分压，然后从吸附器的第一末端排出置换的组分B。结果，一种第一产品或者“轻”产品(一种容易吸附的气体B耗尽而不容易吸附的气体A浓缩的气体)从吸附器的第二末端排出，而一种“重”产品(一种包括强烈吸附组分B和置换组分C的气体混合物)从吸附器的第一末端排出。
再生过程还可以通过循环提高吸附剂的温度(温度波动)，以便降低对所有气体种类的吸附亲和力来实现，从而造成组分B的释放，组分B能够在反向流动中通过净化气流净化为富含组分A的回流净化气流，或者通过组分C的置换净化进行净化。热波动吸附(TSA)要求在循环基础上对吸附剂进行整体加热和冷却，在现有技术中，热波动吸附被限制在相对较低的循环频率中。加热步骤可以在准许净化气流进入到吸附器第二末端之前，通过对净化气流进行加热来完成。
压力波动和置换净化可以结合在一起，使得置换净化再生步骤能够在比输入压力更低的总压下完成。类似地，热波动可以与压力波动和/或者置换净化再生策略相结合。本文中置换净化过程的区别在于置换净化气流由外部提供，并且包括不包括在准备进行分离的输入气体混合物中的组分C，不像传统的PSA或者TSA工艺净化气流从内部获得，作为要分离的输入气体混合物的一部分。
以前，置换净化工艺的应用受到组分A、B、C相容性的限制。即使在已实现的整体分离的这个范围中，由于吸附器中的轴向扩散、气孔中的流动阻塞、穿过流体密封装置和阀门的泄漏，总有一些均匀混合发生。同时，组分B和C必须明显地能够相容，因为本过程要达到的结果是它们要能够混合，组分A和C之间也会发生交叉污染，使得需要这些组分的相容性。此外，由于传统吸附器或者吸附剂床中吸附材料的物理排列，导致不能对某些相对不容易进行强烈吸附的输入气体组分进行最佳分离，尤其是当输入气体除了要求的轻产品组分，还包括其它强烈吸附组分的时候，因此，利用建立在置换净化基础上的再生技术来完成吸附分离的公知吸附材料的利用效率一直受到限制。
PSA广泛地应用于氢的净化，组分A和B分别代表氢和一氧化碳，(例如，在水煤气转变将一氧化碳浓度减少到最小浓度后，从烃原料蒸汽转换或者汽化产生的合成气中得到氢)。在该应用中，由于氢和氧交叉污染的危险，使用空气的(或者任何含有氧的气体，而氧是作为组分C出现)置换净化在现有技术中将不可行或者至少不切实际。
发明内容
本发明涉及一种包括不容易吸附的第一组分(或者组分)A和容易吸附的第二组分(或者组分)B的第一气体混合物的吸附分离，吸附器的再生或者通过置换净化单独来完成，或者由置换净化与压力波动或者热波动再生技术相结合来完成。优选地，置换净化蒸汽包括比B组分更不容易吸附的第三组分(或者部分)C，组分C将与组分B在再生步骤中混合。明确的要求就是要在向外部输送或者排出的气流中，避免组分A和C之间的任何混合或者确确实实地将混合降低到最小程度。这个要求会出现在组分A和C不相容的重要应用中，比如，当组分A和C相互间具有化学反应性，如同当组分A为可燃燃料而组分C为氧化剂的时候。对组分C可能在下游工序中对用于组分A的系统造成不利影响的其它应用也进行了考虑，反之亦然。
因此，在本发明的一个方面，包括组分A和B的第一气体混合物要进行分离，以便分离的第一产物富含在组分A中，而组分B与包含在置换净化蒸汽中的第三气体混合物C混合，以形成包括组分B和C的第二气体混合物，优选地，采取预防措施防止组分C进入到含有组分A的第一产品中产生交叉污染，或者防止组分A进入到含有组分C的第二气体混合物中产生交叉污染。在这种气体分离方法的可能应用中，为了安全或者其它原因，必须避免这样的交叉污染并确确实实地将其降低到最小程度。组分C可以是置换净化气流中的主要或者次要组成成分。
本发明一个方面的设备包括N套协同工作的吸附器(其中N是整数，并且大于等于2)，每个吸附器都在吸附器的第一和第二末端之间设有流道，流道与吸附器中的吸附材料保持接触，组分B更容易被吸附材料吸附，而组分A和C不容易被吸附材料吸附。吸附器都要经历循环吸附工艺中的各处理步骤，如下面阐述的那样，循环周期为T，N个吸附器依次交错经历循环的各个步骤，以便该过程是连续的。
每个吸附器的工艺过程包括输入步骤，其中允许第一气体混合物以第一总压输送到吸附器的第一末端，由于组分B优选地吸附到与吸附器流道上的流动通道保持接触的吸附材料上，所以富含在组分A中的第一或者“轻”产品气体从吸附器的第二末端排出。该工艺过程还包括置换净化步骤，其中，允许包括组分C的置换净化气体进入到吸附器的末端，由于组分B从吸附剂中释放，第二气体混合物(或者“重”产品气体)就以第二总压从吸附器的另外一个末端排出。第一压力和第二压力可以基本相同，或者第二压力可以小于第一压力，以获得用于分离工艺的压力波动组分。同样，组分的温度可以变化，比如组分C比其它组分温度高，以获得用于分离工艺的温度波动组分。在第一产品气体和第二气体混合物的压力和/或者温度变化的情况下，可以利用这种变化来提高分离工艺的总效率。
在气体组分A和C不相容的这个方面，在置换净化步骤之前，在披露的工艺中执行第一“缓冲”步骤，以便除掉前面输入步骤中聚集在吸附器中的间隙及吸附组分A，以避免组分A将在置换净化步骤中进行生产的第二气体混合物(包含组分B和C)污染，同样地，在置换净化步骤之后，在披露的工艺中执行第二“缓冲”步骤，以便除掉前面净化步骤中聚集在吸附器中的间隙及吸附组分C，以避免组分C污染后面输入步骤中生产的第一产品气体。
本发明的缓冲步骤可以通过几种方式实现，包括引入缓冲清扫气流利用置换净化原理来实现，可选地，通过降低总压(比如，通过适度的真空)或者在缓冲步骤中通过变化缓冲清扫气流的温度来促进缓冲步骤的实现，比如降低缓冲气体相对于输入或者净化气体的温度。典型地，每个缓冲步骤都将形成排出气流，在排出气流中组分A和C会有一定程度的混合；这个缓冲步骤排出蒸汽将进行进一步的处理(比如通过燃烧以除去任何未反应的A和C混合物)然后进行处置。在缓冲步骤中实现置换净化的缓冲尾气可以为任何一种不容易吸附的气流。优选地，用于第一缓冲步骤的第一缓冲尾气不应当包含未释放的组分A，而用于第二缓冲步骤的第二缓冲尾气不应当包含未释放的组分C。第一缓冲尾气可以是或者包括包含组分C的置换净化气体。第二缓冲尾气可以是或者包括包含组分A的第一气体混合物。
用于任意缓冲步骤的缓冲尾气可以选用惰性气体，惰性气体是在每个气流的燃烧条件下，从缓冲尾气的燃烧过程中再生利用的废气，以便组分A从用于第一缓冲步骤的尾气中除去，而组分C从用于第二缓冲步骤的尾气中除去。可选地，任何其它不包含A或者C且不容易吸附的气体都可以用作缓冲尾气。为了在更高的温度下应用，蒸汽可以用作缓冲尾气。
可以在缓冲步骤中将总压力降低(比如，低于置换净化步骤进行时的第二压力)以帮助除去要进行净化的组分A或者C，也避免组分A或者C在每个缓冲步骤的前后工序之间的任何泄漏(向外泄漏到吸附器中)。利用第一缓冲步骤中降低的总压力，释放的组分B能够在第一缓冲步骤中促进组分A的净化。如果第二压力为大气压，就可以通过适当的真空来获得缓冲步骤中用来降低总压的较小压力波动，这个较小的压力波动可以用来提高缓冲步骤的可靠性，与是否施加了较大的压力波动来加速组分A的浓缩无关。同样地，也可以在缓冲步骤中使用较小的温度波动来加速相关组分的净化，从而提高缓冲步骤的可靠性，或者提高后面步骤中吸附或释放步骤的效率。
如果第一压力比第二压力大很多，该工艺过程可以包括另外的步骤，比如公知的压力波动吸附工艺中，在输入步骤之后和第一缓冲步骤之前为吸附器降压的步骤，以及在第二缓冲步骤之后和下一个输入步骤之前为吸附器增压的步骤。降压步骤包括同向和/或者反向减压步骤。增压步骤包括再充气和输入增压步骤。降压和增压步骤可以由一个或者多个在异相吸附器之间进行的压力平衡步骤来实现，压力平衡步骤通过在各吸附器的第一或者第二末端之间提供的流体连通来完成。
在压力波动与本发明工艺中的置换净化结合在一起的情况下，显然可以理解为了使发明获得最大的一般性，PSA和VPSA工艺中公知的任何步骤都可以结合到本工艺中，其特征在于，第一和第二缓冲步骤分别设在置换净化步骤之前和之后。如果需要，除了置换净化步骤，还可以(在置换净化之前或者之后)进行净化步骤，该进化步骤把轻产品气体或者反向排放气体用作净化气体。同样地，在温度波动与本发明中置换净化结合在一起的情况下，显然可以理解为了使发明获得最大的一般性，PSA和VPSA工艺中公知的任何步骤都可以结合到本工艺中，其特征在于，第一和第二缓冲步骤分别设在置换净化步骤之前和之后。
根据本发明的实施列，为了在这些步骤中以组分A和C最少的损失实施缓冲步骤，需要组分A和C(以及任何缓冲清扫组分D)只被微弱吸附，吸附器的数量N相对较大，因而每个吸附器具有的吸附材料数量较小，以便缓冲步骤只占用循环周期T中的一小部分时间。
本发明一个方面的设备实施例包括通向每个吸附器第一末端的第一阀门，通向每个吸附器第二末端的第二阀门，使得第一阀门和第二阀门依次为每个吸附器完成输入步骤、任何降压步骤、第一缓冲步骤、置换净化步骤、第二缓冲步骤、以及任何增压步骤在内的完整周期。
可以用现有工艺中公知的多向阀配置方法(比如，在PSA系统中使用的配置方法)来控制进入或者流出本发明实施例中吸附器的气流。在本发明一个特殊的实施例中，旋转分配器阀门用做第一和第二阀门。在这样的实施例中，优选地，N个吸附器以阵列方式布置在设有流体密封装置的转子上，流体密封装置在第一和第二阀面上与定子保持接触。这种实施例的气体分离装置可以称作旋转吸附模块(RAM)。
用在所披露的系统和过程中的旋转吸附模块实施例的转子包括多个用于安装吸附材料的流道，以便在流道中优先吸附第一气体组分而不是第二气体组分。气体分离系统还包括与旋转模块相连的压缩机，以促使气体从流道中通过从而将第一气体组分从第二气体组分中分离出来。定子包括第一定子阀面，第二定子阀面、多个通向定子阀面的功能间。功能间包括气体输入间、轻气体组分出口间、缓冲气体间。“轻气体”指富含在第二种不容易吸附组分中的回收气体，尤其是通过第二阀门从吸附器第二末端回收的气体。然而，根据本发明，在一些适合于利用上述旋转模块实施例来实施的工艺中，输入气体混合物可以通过第二阀门进入到位于吸附器第二末端的吸附剂床中，轻产品气体可以从第一末端回收。同样地，让缓冲或者净化气体进入到吸附器的第一或者第二末端，就可以实施合并到这个工艺中的任何缓冲或者净化步骤。在使用包括压力波动组分的气体分离工艺来操作披露的旋转模块的情况下，除了置换净化，功能间还可以包括轻气体逆流排出和返回间或者其它功能间，从而进行轻气体的逆流、排出、增压或者其它与气体分离工艺的压力波动组分进入和流出吸附器有关的气流。除了产品气体以外，任何一个这样的气流，缓冲或者净化气流都可以从一个吸附器输送到另外的吸附器，通过与相应功能间之间延伸的流体连接管，沿任意方向从接收吸附器中流过，功能间通向第一和第二定子阀面。气流在这种吸附器之间的输送可以用来在吸附器之间缓冲气流进行循环利用，通过捕获缓冲步骤开始时从吸附器中排出的产品气流(而不是将这些产品气体排向大气)，以有效提高产品气体组分的回收率(A和B)，降低进行缓冲步骤所需要的缓冲气体体积。此外，循环利用某些实施例在输入或者净化步骤开始时排出的缓冲气流，能够使缓冲步骤之后残留在吸附器中、而且会在产品气流中(包括产品组分A或者B)排出的残余缓冲气体量减少，因此增加了产品气流的纯度，在产品气体组分通过下游系统或者工序进行循环利用的情况下，减少缓冲气体组分的形成。
旋转吸附模块自身可以在较高的工作温度下操作，比如，吸附器的工作温度可以从环境温度变化到大约450℃，输入气体混合物和置换净化和/或者缓冲气流之间的回热式换热器或者再生式热交换器能够吸附器更容易在这个温度范围下工作。可以通过旋转吸附模块的操作来支持沿气流道长度上的温度梯度，以便吸附器第一末端的温度比吸附器第二末端的温度高。如同这里使用的那样，“吸附器的操作温度”表示流过吸附器和/或者吸附器床的气体的温度。
在本发明的其它实施例中，在需要生产与组分E结合的浓缩组分A以及从包括组分B的产品气流中分离的地方设一个旋转吸附模块，旋转吸附模块适合于使含有弱吸收组分A和相对强烈吸收组分B、以及其它具有相同吸收能力的组分E，或者甚至比组分B更能强烈吸收组分的输入气体混合物进行分离。旋转吸附模块包括转子和定子、以及相连的功能间，如同上面所述的实施例模块，还额外包括转子模块上的第二套单独的吸附器，以及相连的第二套单独的功能间，第二套单独的功能间与定子阀面相连，至少包括输入气体间和产品气体排出间。第二套吸附器中选择的吸附材料能够优先吸附组分E而不是组分A和B，以便允许包含组分A、B和C的初始输入气体首先通过第二套功能间进入到第二套吸附器中，使得分离组分E，通过第一套功能间向第一套吸附器提供完全不含组分E的第二输入气体混合物，用于使用置换净化气体组分C来分离组分A和B，如前面实施例中讨论的那样。在组分A和B分离之后，允许生成的富含在组分A中的产品气体进入到已经装着吸附组分E的第二套吸附器中，从而生产包含富含在组分A和E中的产品气流，用来向外面供货和应用。如上面实施例描述的那样，在组分A和C不相容的情况下，可以使用一个缓冲气体组分D在置换净化步骤之前和之后从第一套吸附器床中清扫组分A和C的残余物。此外，如上面所述的那样，可以将额外的步骤添加到组分A和B的分离工艺中，以将压力波动或者温度波动组分应用到分离过程中，使用上述的功能间在第一套吸附器之间输送这种气流。类似地，为了将压力或者温度波动组分应用到分离工艺中，可以将额外步骤添加到将组分E从输入气体中分离出来的过程中，这种在第一套吸附器之间输送这种气流必不可少的额外功能间被包含在第二套通向定子阀面的功能间中。此外，如上面所述的实施例那样，为了实现缓冲气流的循环利用，通过吸附器的气流可以出现在两个方向中的任意方向，也可以在吸附器的第一和第二末端之间进行输送。在本发明的实施例中，第一和第二套吸附器，以及相应的功能间都分别以任何一种适合于让气流在吸附器之间输送的配置方式布置在转子和定子装配件内，如上所述。可能的配置方式包括同轴环行布置方式，使得第一和第二套吸附器以及功能间形成2个单独的环行单元，2环行单元围绕一个共同的中心轴相互间沿径向间隔开。
对上面两个设备实施例的应用举例进行了披露，该实施例直接针对将氢(组分A)从作为第一气体混合物的合成气中进行浓缩，第一气体混合物中的稀释二氧化碳(组分B)要进行分离，特别是直接排出到大气中，并利用空气或者优选地利用富氮空气作为含氧(组分C)的置换净化气流。目前披露的设备允许含有微量二氧化碳的空气使用空气或者优选使用富氮空气来做为置换净化气流，以较低的压力将二氧化碳从合成气气流中分离出来，从而在没有压缩到高压的情况下实现有益的氢浓缩。在输入气体中具有相当含量的水蒸气(组分E)的情况下，就要求在相同的净化气流排气口将水蒸气与二氧化碳和净化气体一起排出，可以使用设有一套吸附器的吸附模块，而且吸附器中的吸附材料应当从现有技术中公知的能够在有大量水蒸气存在的情况下、特别是分离是在高温条件下完成的操作中有效地将二氧化碳分离出来的材料中进行选择。缓冲气体(组分D)可以从任何不含有组分A或者C、但与组分A和C相容、并且不容易吸收的气体中进行选择，包括例如惰性气体。在此示范性应用中，如果没有缓冲步骤以及当前披露设备中用来防止氧和燃料组分之间交叉污染的那些特点，考虑到安全问题，通常不考虑使用空气或者富氮空气来净化氢浓缩吸附器。在水蒸气(组分E)大量存在，并且需要将与富氢产品结合的水蒸气排出的情况下，可以使用设有两套吸附器的吸附模块，其中，第一吸附器中的吸附材料应当从现有技术中公知的能够在操作温度下优先吸附二氧化碳而不是氢的材料中选择，而第二吸附器中的吸附材料应当从公知的能够在操作温度下优先吸附水蒸气而不是二氧化碳和氢的材料中选择。
在接近环境温度下对合成气输入气体混合物进行分离的上述示例应用中，公知适用材料包括用于吸附水蒸气的活性氧化铝、铝胶和用于吸附水蒸气的硅胶、活性炭、亲水沸石(比如13X型沸石和现有技术中公知的其它很多沸石)、用于吸附二氧化碳的疏水沸石(比如Y型沸石或者硅烷)。如果置换净化气流为自湿润，使用相对疏水的吸附剂比如活性炭和沸石(比如Y沸石或者硅胶)是非常有利的。可选地，旋转吸附模块中的吸附剂可以选择在高温操作温度下(比如，大约250℃到400℃)对分离气体混合物的组分具有选择性的吸附剂。比如，在上述潮湿合成气分离的应用中，吸附剂可以选择优先吸附二氧化碳而不是水蒸气的吸附剂。现有技术中公知适合的吸附剂包括碱增强材料。碱增强材料包括这些含有碱金属离子比如Li、Na、K、Cs、Rb和/或者碱土金属比如Ca、Sr、Ba的材料。吸附材料可以使用碱金属或者碱土金属的氢氧化物、碱金属或者碱土金属的碳酸盐、重碳酸盐、醋酸盐、硫酸盐、硝酸盐或者有机酸盐化合物。这样的化合物可以沉淀在任何适合的基底上，比如氧化铝基底上。用于高温操作的具体的材料包括浸渍碳酸钾的氧化铝以及碳酸钾增强的水滑石，如现有技术中披露的那样。
本发明吸附器中采用的吸附剂为传统的粒状吸附剂，在披露的设备和工艺实施例中，已经发现将吸附剂材料设在具有很大表面积的整体平行通道上是非常有利的，以便能够以相对较高的循环频率(例如，循环周期大约为1秒到10秒)在小型设备上进行工艺操作，该小型设备含有少量吸附剂，所以组分A和B含量也小的，组分A和B相互间具有化学活性。吸附剂以分层片状结构(吸附剂片)设在薄基片上，利用薄片之间的间隔装置隔开薄片并形成流道，这一点已经发现非常有利。与选择和制造这种适用吸附剂片的有关更多细节可以在申请人的待审美国专利申请10/041,536中得到，特此引用。已经发现在当前披露系统和工艺中，使用具有相对较低的空隙分数(大约为结构体积的10％-50％)和相对较低的压力降(与采用了传统珠状吸附剂并且具有相同尺寸的吸附器相比较)的吸附剂片是很有利的。与采用了传统珠状吸附剂且空隙分数相对固定(大约33％)吸附器不同，上面披露的吸附剂层状结构的空隙分数、吸附剂装填密度和压力降特性会根据输入、净化和缓冲气体成分、选择的吸附剂材料、选择片状材料的工艺要求以及用来形成层状结构的间隔装置的不同而变化。另外还发现在当前披露的系统和工艺中，尤其是输入气体组分B在使用的吸附剂材料上吸附较弱，或者使用了缓冲气体来防止组分A和C混合的情况下，使用空隙分数为20％-30％，压力降相对较低的吸附剂层状结构是非常有利的。在披露系统和工艺中使用的适合吸附层状结构可以使用薄金属基底材料来制作，比如厚度为100-300微米的不锈钢网，薄片金属基底材料可以和类似的金属网或者拉制金属箔材料结合在一起用作吸附剂层之间的间隔装置。利用这样的金属基底和间隔材料得到的层状结构具有相对较高的热质量，能够提供优良的功能，作为一种高效灭火器扑灭由于设备的机械或者结构故障而在相互起反应的组分A和组分C之间出现的意外化学反应。可选地，在披露系统和工艺中使用的适合吸附剂层状结构可以利用薄复合基底材料来形成，比如厚度为100-300微米的玻璃纤维网或者平纹棉麻织物，薄复合基底材料可以与吸附剂层之间的陶瓷印刷材料或者其它非金属间隔材料结合。这种层状结构具有相对较低的热质量，并且可以方便吸附器内温度的快速转变，这在采用了气体分离工艺并利用温度波动组元以相对较高的循环速度进行操作的披露系统中非常有利。
在当前披露的用于提高发电技术的系统和工艺如固体氧化燃料电池其它应用中，可以看到本发明中披露的系统和工艺可以出乎意料地提高发电系统的总效率，本发明中披露的系统和工艺能够在稀释的二氧化碳进入到大气时，促进燃料电池阳极对浓缩氢进行分离和再生利用，从而在获得正常电能的情况下另外得到自由能，正常电能在燃烧过程获得，同时二氧化碳以1巴(bar)的参考压力释放。
上述特点和优点将从下面参考附图的几个实施例的详述中变得更加明显。
下面结合以下附图来描述实施例。
图1显示了旋转吸附模块的轴向剖面。
图2到图4显示了图1中模块的横剖面。
图5到图12显示了图1模块中的另一缓冲步骤净化实施例。
图13和图14显示了采用了两套单独吸附器的旋转吸附模块的缓冲步骤净化实施例。
具体实施例方式
图1-4下面结合图1-4对带有置换净化再生装置的旋转吸附模块进行描述，如同这里使用的那样，“旋转吸附模块”包括，但不限于，其吸附器阵列相对于固定阀面或者定子旋转的装置，或者包括其阀面或者定子相对于吸附器阵列旋转的装置。图示的实施例在转子上设有吸附器，转子设在外壳中，外壳就是一个带有固定阀面的定子。
图1显示了旋转吸附模块1，模块1包括N个设在吸附器外壳壳体4上的吸附器3(N是等于或者大于2的整数)或者吸附器流道3。每个吸附器都设有第一末端5和第二末端6，其间的流道与吸附材料保持接触，相对于不容易被吸附的组分A和组分C，组分B在吸附材料上更容易被吸附。吸附器布置成与吸附器外壳体的轴7成轴对称的阵列。外壳体4与第一和第二功能壳体8和9一起围绕轴7做相对的旋转运动，外壳体4穿过第一阀面10与第一功能壳体8啮合，当气体流向第一功能体8时，含有组分A和B的第一气体混合物被提供给第一扇区，当气体流出第一功能体8时，含有组分B和C的气体混合物则从第二扇区回收，外壳体4穿过第二阀面11与第二能体9啮合，当气体流出第二功能体时，在第一扇区回收富含在组分A中的第一产品或者轻产品，当气体流向第二功能体时，就向第二扇区提供了含有组分C的置换净化气流。
在图1-5绘出的实施例中，吸附器外壳4旋转，在下文中将吸附器外壳4都称作吸附器转子4，同时使第一和第二功能体保持静止，并一起够构成了模块的定子组件。在下文中将第一功能体都称作是第一阀门定子8，在下文中将第二功能块称作第二阀门定子9。在其它实施例中，吸附器外壳4可以保持静止，而第一和第二功能体都是旋转分配器阀门转子。
在图1-4所示的实施例中，穿过吸附器的流道与轴7平行，以便流动方向为轴向，第一和第二阀面都是垂直于轴7的扁平环行圆盘。但是，通常吸附器中的流动方向可以为转子旋转轴的轴向或径向，或者是轴向和径向的结合，可以将第一和第二阀面的形状定为按照以轴7为中心得到的任何旋转图案，比如平面、圆锥、圆柱等。工艺的各步骤和要限定的功能间都将位于同样的角度关系，与吸附器中径向或者轴向的流动方向无关。
图2-4为模块1在箭头12′-13′、14′-15′和16′-17′所限定平面上的横剖面。在每个剖面上的箭头20都显示了转子4的旋转方向。
图2显示了图1中12′-13′剖面，该剖面穿过吸附器转子。这里，“N”＝72。吸附器3设在吸附器轮子208的外壁21和内壁22之间。图示实施例中的每个吸附器都包括由吸附剂片23构成的矩形扁平包3，薄片之间的间隔装置24用来限定气流道，图中显示的气流道为轴向。分隔器25设在吸附器之间以填充空隙空间并防止吸附器之间的泄漏。吸附器包3可以径向上逐渐收缩，以提高吸附剂的填充体积。在另外的实施例中，吸附器包括多层吸附剂片，吸附剂片做成同心螺旋卷制结构，或者其它合适的整体结构，或者构成珠状或者其它特殊吸附剂布置方式。
如图1中所示，吸附器3包括多个位于流道第一末端5和第二末端6之间的不同区域，这里分别显示了两个区域，第一区域26靠近第一末端5，第二区域28靠近第二末端6。吸附器3中的每个区域可以采用不同的吸附剂材料成分。作为不同吸附剂材料不同区域的其它方案，向气流道方向上具有不同吸附材料浓度梯度的吸附材料层或者混合物中提供不同的吸附材料。从一种吸附材料到另外一种吸附材料的转变最好利用两种吸附剂材料的混合物，而不是截然不同的进行转变。另外的一个选择是提供同类的或者不同类的不同吸附剂材料混合物。
在H2吸附分离器以高达约250℃的环境温度进行操作的情况下，第一区域将包括选来除去输入气体混合物(组分E)中能够强烈吸附组分的吸附剂材料或者干燥材料，比如水蒸汽或者甲醇蒸汽、以及少量二氧化碳(组分B)。第二区域还包括一个选来大量分离二氧化碳(组分B)的吸附剂。
在H2 PSA以大约250℃-500℃温度进行操作的情况下，第一区域将包括优先吸附二氧化碳而不是水蒸气的吸附剂，如上述的那样。第二区域将包括能够优先吸附一氧化碳而不是水蒸气的吸附剂(比如，沸石、含Cu(I)材料、或者含Ag(I)材料)。根据一种方案，二氧化碳的选择性吸附剂和一氧化碳的选择性吸附剂可以包含或者混合在一个单一区域中，而不是包含在两个截然不同的区域中。
吸附剂片包括一个基底(比如，玻璃纤维、金属箔或者金属丝网)，吸附剂材料通过一种合适的粘合剂连接到基底上，如上面详细描述的那样。利用粘合剂将沸石晶体泥浆涂到基底上，就制造出了满意的吸附剂片，成功的例子包括非纺织的玻璃纤维平纹棉麻织物、纺织金属(钢丝网)织物、以及拉制金属箔(比如氧化铝)。间隔装置可以通过印刷吸附剂或者利用浮雕花纹对吸附剂片进行压花来提供，或者在邻近吸附剂片之间设置制造的间隔装置来提供。其它已经提供的符合要求的间隔装置为纺织金属(钢丝网)金属滤网、非纺织纤维玻璃平纹棉麻织物、以及带有照相平版印刷花纹蚀刻流道的金属箔。设有层状吸附剂片材料的吸附器可以通过堆叠扁平薄片或弯曲薄片、或者通过制作麻花辊来形成，使位于薄片之间的流道从吸附器的第一末端延伸到第二末端，以便充分填充需要的吸附器外壳容积。在2002年7月申请的美国专利申请10/041,536中，披露了采用堆叠、螺旋卷制吸附剂的方法及结构的例子特此引用，如上所述。
试验薄片厚度在100-500微米之间变化，间隔装置的高度在大约75-300微米的范围内，吸附器流道的长度在大约10-60厘米的范围内。
在本发明的其它实施例中，如上所述的那样吸附器可以做成吸附剂片麻花辊与间隔装置形成的阵列，使阵列支撑在转子上。
可选地，吸附器可以通过在旋翼毂上缠绕单个吸附剂片麻花辊并填充到吸附器壁21的环带区域来形成。邻近吸附剂片层之间的间隔装置可以通过纵向间隔装置或者瓦楞来形成，在薄片之间建立轴向流道，并且在第一末端5和第二末端6之间延伸，同时间隔装置或者瓦楞能防止横穿流道的流动或者邻近流道之间的流动。因此，每个这样的流道通过吸附剂材料与邻近的流道隔绝，都可以用做一个小型的独立吸附器。利用这样的方法，独立吸附器的数量N可以非常大。
同样可选地，吸附器的流道可以做成整体，比如在蜂窝状槽壁上涂有吸附剂的蜂窝状堇青石挤出物。转子可以利用单个的挤出物截面形成、或者利用支撑在转子上的这种截面阵列形成。
在各种情况下，吸附器和转子与协作的流体密封装置一起装配，以便在吸附器第一末端和第二末端之间流体流动都要穿过吸附器中的流道，以便避免旁路泄漏。
图3显示了在箭头14′-15′、16′-17′限定的平面上，分别位于第一阀面和第二阀面的转子4的进入端口。吸附器端口30提供直接从每个吸附器的第一或者第二末端分别流向第一或者第二阀面的流体，每个这样的端口30可以等同地由许多小端口来为每个吸附器提供。
图4显示了在第一阀面10和箭头14′-15′定义的平面上，第一定子8的定子阀面100，与第二阀面11和箭头16′-17′定义的平面上的阀面101类似。箭头20显示了由吸附器转子驱动的转动方向。在位于圆周密封装置106和107之间的环行阀面中，朝外部管道设有端口的第一转子阀面100的开口区域由角扇区111-116进行表示，角扇区111-116由径向密封装置118隔开，径向密封装置118与直接连通功能间的第一功能端口相对应，功能间由同样的索引号111-116进行表示。扇区113用于第一缓冲步骤，而扇区114被用于第二缓冲步骤。如果使用了压力波动来加强置换净化再生过程，就可以为增压步骤设一个扇区115，为降压步骤设一个扇区116。同样地，朝外部管道设有端口的第二定子阀面101开口区域(如图5、7和9所示)由角扇区121-126进行表示，角扇区121-126也被径向密封装置118隔开，径向密封118装置与直接连通功能间的第一功能端口相对应，功能间由同样的索引号111-116进行表示。特有的径向密封装置118为位于邻近扇区之间并向邻近扇区设有开口的吸附器提供了过渡。通过滑块和密封表面之间的锥形间隙通道，就提供了一个渐进开口，从而使朝一个新功能间设有开口的吸附器实现压力的平缓均衡化。还可以设立更宽的封闭扇区，在吸附器的一个末端进行增压或者减压步骤时，停止从吸附器的另外一个末端流入或者流出的气流。
返回到图1，在第一阀面100，将输入气体(第一气体混合物包括组分A和B，以及还可能包括的组分E)如箭头125所示提供给第一扇区111，而将重产品(第二气体混合物包括组分B和C)如箭头126所示的那样从第二扇区112排出。在第二阀面101，第一气体或者轻产品气体(富含在组分A中)如箭头127所示的那样从第一扇区211排出得到，而将置换净化气体(包括组分C)如箭头128所示的那样提供给第二扇区122。
转子由轴承160支撑，轴密封圈161设在第一定子8的转子驱动轴162上面，第一定子8与第一和第二阀门定子整体组装在一起。作为典型的转子驱动装置，吸附器转子由马达163驱动。
图5和图6图5显示了实施例的第一和第二定子阀面100和101，该实施例利用置换净化气体作为第一缓冲净化气体，而输入气体混合物或者第一气体混合物作为第二缓冲气体。在图5、及图7和9中，第一和第二定子阀面从剖面箭头14′-17′所示的那个方向进行观察，以便第一定子阀面就从后面进行观察，而第二阀面就从正面进行观察。图6显示了在圆周剖面上通过吸附器的流动模型，圆周剖面包括了围绕轴7从0°到360°的整个角度范围。图6、8和10中的穿过吸附器3的虚线代表了气体混合物A和B、B和C、以及组分A和C之间的浓度锋面。特别地，虚线175表示了循环过程中在二氧化碳浓度锋面的运动。
第一缓冲净化气体经过阀门180允许进入到位于第二阀面101的扇区123中，利用协同工作的热量回收装置将来自第一阀面扇区113中的气体置换到二次处理单元中，在这种情况下，就是置换到设有热量回收装置183的燃烧器182中，热量回收装置183与燃烧器182一起工作。第二缓冲净化气体经过阀门185允许进入到位于第一阀面100中的扇区114，并将第二阀面扇区123中的气体置换到设有热量回收装置183的燃烧器182中，热量回收装置183与燃烧器182一起工作。热量回收装置可以是一种热交换器，以预热被提供给燃料电池、或者蒸汽发生器、或者内燃机、或者燃气涡轮、或者斯特林发动机的氧化剂和燃料气流。
图7和图8图7显示了实施例的第一和第二定子阀面100和101，该实施例利用回收废气作为第一和第二缓冲净化气体，回收废气通过缓冲净化气体的燃烧来得到，以便从第一缓冲净化气体中除去未释放的组分C，而从第二缓冲净化气体中除去未释放的组分A。图8显示了在圆周剖面上通过吸附器的流动模型，圆周剖面包括了围绕轴7从0°到360°的整个角度范围。
利用通过扇区113的第一缓冲气流和通过扇区114的第二缓冲气流，允许缓冲气流进入到第一阀面100。在第一缓冲气流被初始进入的置换净化气流置换出来后，第一缓冲气流的一部分从扇区113′重新循环回到扇区113。
第一缓冲气流由鼓风机或者真空泵187从扇区123回收，而第二缓冲气流由鼓风机或者真空泵187’回收。缓冲气流流过带有热量回收装置183的燃烧器182，然后流过冷凝器189通过排放管道190排放过多的水分。第一和第二缓冲气流的完全分离或者部分分离可以通过燃烧器182和冷凝器189继续保持，如虚线部分191和192所示，以便虚线部分191每一侧的燃烧条件都可以在第一缓冲气流侧保持适当的富油，以便从第一缓冲净化气体中除去未释放的组分C，并且在第二缓冲气流侧保持贫油，以便从第二缓冲净化气体中除去未释放的组分A。可选地，第一和第二缓冲气流可以通过一个鼓风机和/或者真空泵187以及通过一个燃烧器和冷凝器进行混合，通过在燃烧器中保持近化学计量的燃烧条件，根除未释放的组分A和C。为了在各种条件下实现满意的和有效的完全燃烧，燃烧器可以是催化剂燃烧器。
图9和图10图9显示了实施例第一和第二定子阀面100和101，该实施例利用结合的压力波动和置换净化再生设备，并利用回收废气作为第一和第二净化气体。图10显示了在圆周剖面上通过吸附器的流动模型，圆周剖面包括了围绕轴7从0°到360°的整个角度范围。
在第一定子阀面100中，扇区115用于输入增压步骤中，输入气体混合物通过节流孔或者降压限流器193进入，而将扇区116用在逆流降压步骤中，逆流降压步骤在第一缓冲步骤之前进行降压操作。在第二定子阀面101中，扇区125与提供了相应的降压步骤的扇区126一起，让轻产品(压力均衡化)逆流通过管道195和限流器196来提供一个增压步骤。扇区125′与提供了相应的降压步骤的扇区126′一起，让轻产品(压力均衡化)逆流通过管道195′和限流器196′来提供另外一个增压步骤。
将阀面100的延伸封闭扇区用做宽径向密封(比如，197、197′)，与阀面101的轻产品逆流扇区125，125′、126和126′相对。在阀面101的封闭扇区中，设置了类似的宽径向密封(比如198，198′)，阀面101的封闭扇区与阀面100的输入增压扇区115和逆流减压扇区116相对。在图10中，还应当指出通往111、115、116、125、125′126和126′扇区的径向密封在转子面和进入这些扇区的相应密封装置之间设有锥形间隙，从而在每个吸附器与相应扇区重合时，通过锥形间隙中的气流节流来供平滑的增压和减压过渡。
如果需要，除了包含组分C的置换净化步骤以外，还可以包括一个净化步骤，该净化步骤利用了富含在组分B中轻产品的逆流。
图11和图12图11显示了利用缓冲净化气体的实施例的第一和第二定子阀面100和101。在图11中，第一和第二定子阀面从上述图形中显示的一个方向进行观察，以便第一定子阀面从后面进行观察，而第二阀面从正面进行观察。图12显示了在圆周剖面上通过吸附器的流动模型，圆周剖面包括了围绕轴7从0°到360°的整个角度范围。[装置将组分A、B、E组成的输入气体混合物分离，使得A浓缩并且与B和E分离，而B和E则与净化气体C一起回收]。
利用第一缓冲气体通过扇区113和第二缓冲气体通过扇区114，允许缓冲气体进入第一阀面100。在第一缓冲气流被初始进入的置换净化气流置换出来后，第一缓冲气流从第二阀面101的扇区126重新循环回到扇区113。
第一缓冲气流通过第二阀面101的扇区121置换浓缩组元A，从而提高轻产品组元A的回收率。第二缓冲气流137从扇区123中回收，并输送到合适的二次处理工艺中，对缓冲气体进行再生利用或者排出到烟道。剩余的缓冲气体从扇区115中回收，在剩余的缓冲气体被初始进入的置换净化气流置换出来后，就再循环到第二阀面101的扇区124。
利用通过扇区124的第三缓冲气流和通过扇区125的第四缓冲气流，允许缓冲气流进入到第二阀面101。第三缓冲气流按照上面所述方式进行循环。第三和第四缓冲气流通过第一阀面100的扇区112继续用做组分B的置换净化气体，从而提高重组分B的回收率。剩余的间隙缓冲气体从扇区126回收，并按照上述方法进行循环利用。
在这样的程序中，能够提高重组分和轻组分的回收率，并降低所需缓冲气体的量。此外，在将剩余气体回收到另外吸附剂床的输入步骤开始之前，有部分间隙缓冲气体剩余在吸附器中，将吸附器中剩余的间隙气体回收能够减少在输入步骤中与轻产品气体A一起排出的残余缓冲气体，从而增加轻产品气体的纯度。顺序定时将根据吸附器床的数量N而变化。
图13和14图13显示了利用缓冲净化气体的实施例的第一和第二定子阀面100和101。在图13中，第一和第二定子阀面从上述图形中表示的一个方向进行观察，以便第一定子阀面从后面进行观察，而第二阀面从正面进行观察。图14显示了在圆周剖面上通过吸附器的流动模型，圆周剖面包括了围绕轴7从0°到360°的整个角度范围。
在这个例子中，将包括组分A、B和E的输入气流进行分离，使得组分A和E一起回收，而组分B则与净化气体C一起回收。
环形的吸附器1包括前述例子中的吸附剂，该吸附剂能够强烈地吸附组分B而不是组分A和E，(当二氧化碳是组分B，氢是组分A而水蒸气是组分E时，吸附剂就不包括活性炭)。环行吸附器2包括能够强烈吸附E而不是组分A和B的吸附剂(在与上述例子相同的情况下，不包括活性氧化铝)。
允许包括组分A、B和E的输入气体气流130通过环行吸附器2的127进入第二阀面101。气体通过第一阀面100的116扇区排出，然后直接回到第一阀面100环行吸附器1的扇区111。气流134作为浓缩组分A的气体通过第二阀面101的121排出，并直接输送到第一阀面100环行吸附器2的扇区117中。产品气流132作为浓缩产品A的气流与来自第二阀面101的128的回收组分E一起排出系统。
在本设备的操作过程中可以使用一个控制系统，允许操作人员改变从浓缩A中回收的E的含量。使用流量调节装置，气流130的一部分可以通过气流135转向第一阀面100环行吸附器1的扇区111。通过气流135输送的组分E的一部分将与组分B和C一起回收到气流131中。允许气流130余下的部分进入到127区域，而剩余部分中的组分E则与浓缩组分A一起被回收利用，如上面所述。
结合几个实施例，已经对本发明的原理进行了图示说明和描述，本领域一般技术人员将显而易见，不脱离本发明的原理，本发明可以在布置方式和细节上进行修改。
权利要求
1.一种用于将输入气体混合物的第一组分与输入气体混合物的更容易被吸附材料吸附的第二组分分离的置换净化气体分离装置，包括多个吸附器，该吸附器设有第一和第二末端，每个吸附器包括一种吸附剂材料，并限定了第一和第二末端之间的与所述吸附剂材料保持接触的流道；至少一个与所述吸附器所述第一和第二末端流体地相连的阀门装置，用于从所述吸附器的所述第一和第二末端排出和回收气体；输入气体提供装置，用于通过所述阀门装置向所述吸附器提供输入气体；净化气体提供装置，用于通过所述阀门装置向所述吸附剂提供净化气体，以便从所述吸附剂材料中释放被吸附的第二组分气体；缓冲气体提供装置，用于通过所述阀门装置向所述吸附器提供缓冲气体；产品气体回收装置，用于通过所述阀门装置从所述吸附器中回收富含在所述第一组分中的产品气体；废气回收装置，用于通过所述阀门装置从吸附器回收含有第二组分和净化气体、所述第一组分已经基本耗尽的净化废气。
2.一种用于将输入气体混合物的第一组分与更容易被吸附材料吸附的第二组分分离的置换净化旋转吸附模块，包括多个设有第一和第二末端的吸附器，每个吸附器都包括一种吸附剂材料，并限定了所述第一和第二末端之间的与所述吸附剂材料保持接触的流道；至少一台与吸附器的第一末端流体地相连的旋转分配器阀门，所述旋转分配器阀门设有定子和能够围绕轴旋转的转子；用于旋转所述转子的驱动装置；输入气体提供装置，用于通过旋转分配器阀门向所述吸附器提供输入气体；净化气体提供装置，用于通过旋转分配器阀门向所述吸附器提供净化气体，以便从所述吸附剂材料中释放被吸附的第二组分气体；产品气体回收装置，用于通过旋转分配器阀门从所述吸附器中回收富含在所述第一组分中的产品气体；废气回收装置，用于通过旋转分配器阀门从吸附器中回收含有第二组分和净化气体、而第一组分基本被耗尽的净化废气。
3.一种用于将输入气体混合物的第一组分与输入气体混合物的更容易被吸附剂材料吸附的第二组分分离的置换净化旋转吸附模块，包括转子和定子，转子和定子共同限定了旋转分配器阀门，其中所述转子包括多个设有第一和第二末端的吸附器，每个吸附器包括一种吸附剂材料，并限定了第一和第二末端之间的与所述吸附剂材料保持接触的流道；与所述吸附器的第一末端流体地相连的第一转子阀面；和与所述吸附器第二末端流体相连的第二转子阀面；其中，所述定子包括第一定子阀面，按相对可转动的方式与第一转子阀面连通；第二定子阀面，按相对可转动方式与第二转子阀面所述连通；和多个通向定子阀面的功能间，包括输入气体功能间，用于通过定子阀面和转子阀面向所述吸附器提供输入气体混合物；净化气体功能间，用于通过定子阀面和转子阀面向所述吸附器提供净化气体；缓冲气体功能间，用于通过定子阀面和转子阀面向所述吸附器提供缓冲气体。
4.一种用于将气体混合物的第一组分与气体混合物的更容易被吸附材料吸附的第二组分分离的置换净化气体分离工艺，包括提供一种设有多个吸附器的置换净化气体分离装置，每个吸附器都设有第一和第二末端之间的与吸附剂材料相接触的流道；向第一吸附器的第一末端提供一种至少包括所述第一组分和所述第二组分的输入气体混合物；从所述第一吸附器的第二末端回收富含在所述第一组分中的产品气体；向所述第一吸附器提供完全不含第一组分的第一缓冲气体，用于从所述第一吸附器的内部空间置换任何剩余的第一组分；和向所述第一吸附器提供不容易被吸附的净化气体，以便从所述吸附剂材料中释放被吸附的第二组分。
5.如权利要求4所述的工艺还包括当所述第一缓冲气体进入到所述第一吸附器时，从所述第一吸附器的内部空间回收富含在所述第一组分中的第二部分产品气体；当所述净化气体第一次进入所述第一吸附器进行循环时，从所述第一吸附器中回收所述第一缓冲气体，用于第二吸附器的第一缓冲步骤中；从所述第一吸附器中回收包含所述净化气体和所述被释放的第二组分的废气；向所述第一吸附器提供基本不含净化气体组分的第二缓冲气体，以便从所述第一吸附器的内部空间置换任何剩余的净化气体；和当重新提供输入气体混合物进行循环时，从所述第一吸附器中回收所述第二缓冲气体，用于第二吸附器的第二缓冲步骤中。
全文摘要
本发明涉及用于吸附气体分离的系统和工艺，其中第一气体混合物包括要分离的组分A和B，以便分离的第一产品为浓缩组分A，而组分B与包含在置换净化气流中的第三气体组分相混合，以形成包括组分B和C的第二气体混合物，并采取预备措施防止组分C进入含有组分A的第一产品中的交叉污染，或者防止组分A进入到含有组分C的第二气体混合物中的交叉污染。本发明可以用于从合成气混合物中浓缩氢(组分A)，将稀释的二氧化碳(组分B)扔弃，比如直接排放到大气中，优选地，利用富氮空气作为含有残留氧(组分C)的置换净化气流。
文档编号H01M8/06GK1642618SQ03805971
公开日2005年7月20日 申请日期2003年3月14日 优先权日2002年3月14日
发明者博维·G·基弗, 马修·L·巴比茨基, 安德鲁·詹森·约瑟夫·博莱特, 阿伦·M·佩尔曼, 布赖恩·G·塞拉斯, 苏拉吉特·罗伊 申请人:探索空气技术公司