用于从空气中捕获CO2的高通量直接空气捕获装置及其操作方法与流程

用于从空气中捕获co2的高通量直接空气捕获装置及其操作方法
技术领域
1.本发明涉及用于气体分离特别是用于直接空气捕获例如从空气中捕获co2的新的高通量装置，特别地，所述新的高通量装置提供了大的流通截面、低的压降、低的热质量、很少/较少的结构部件和高的效率。还提供了用于操作这样的装置的方法以及这样的装置的部件，例如用于密封气体分离结构的新的可移动门系统。


背景技术：

2.通过吸附进行的气体分离在工业中具有许多不同的应用，例如从气体流中去除特定组分，其中期望的产物可以为从所述流中去除的组分、剩余的贫化流、或者二者。从而，气体流的痕量组分以及主要组分二者均可以被吸附过程作为目标。一个重要的应用是从气体流例如从烟道气、废气、工业废气或大气空气中捕获二氧化碳(co2)。
3.直接从大气中捕获co2(被称为直接空气捕获(direct air capture，dac))是减轻人为温室气体排放的数种手段之一，并且对于商品市场和对于合成燃料的生产，作为非化石、不受位置限制的co2来源具有有吸引力的经济前景。
4.dac的一种特定方法是基于关于固体化学官能化的吸附剂材料的循环吸附/解吸过程。例如，在wo
‑
a
‑
2016005226和wo
‑
a
‑
2017009241中，分别公开了基于蒸汽辅助循环吸附/解吸的方法和合适的胺官能化吸附剂材料用于从环境大气空气中提取二氧化碳。此外，wo 2019/092128描述了另一类也适用于循环co2吸附/解吸过程的基于碳酸钾官能化的吸附剂材料。
5.吸附过程通常在环境大气条件下发生，在所述环境大气条件下空气流过吸附剂材料并且空气中包含的一部分co2化学地和/或物理地结合/吸附在吸附剂的表面处或内部。在随后的co2解吸期间，通常将吸附剂材料加热，并且任选地，可以通过施加真空或使吸附剂暴露于吹扫气流(例如但不限于蒸汽)来降低吸附剂周围的二氧化碳的分压(psa
‑
变压吸附)。由此，先前捕获的二氧化碳从吸附剂材料中被去除并以浓缩的形式获得。
6.实现dac的能源和成本效益的主要挑战之一起因于大气气体中的co2浓度低(在2019年名义上为约400ppm)以及将相应必要的大量大气空气输送至合适的气体分离结构。包含封闭的吸附剂材料的合适的气体分离结构在us2017/0326494和wo
‑
a
‑
2018083109中被提出，并且可以应用于分批吸附
‑
解吸过程，在所述分批吸附
‑
解吸过程中，包含吸附剂材料的所述结构需要交替地暴露于高体积流量空气流(吸附/接触)，然后暴露于以升高的温度和/或低至例如10毫巴(abs)的真空压力为特征的解吸条件。这需要这样的室结构：其一方面使吸附剂材料暴露于高体积流量的大气空气以吸附co2，以及其另一方面可以在解吸期间适当地将吸附剂材料与环境空气隔离并且承受最高至130℃的吸附剂材料温度，co2、空气和水的作为蒸气和液体的混合物，以及任选地低至10毫巴(abs)或更低的真空压力(如果解吸需要真空)。一种这样的合适结构为wo
‑
a
‑
2015185434中所公开的单元。通常，因此特别有利的是这样的基础设施：首先使吸附流通期间的压降最小化，其次将所述压降的最大部
分归因于实际捕获co2的单元部分。
7.在现有技术中，存在许多通常在具有小流动截面的长的、窄的、厚的壁柱中进行的循环吸附/解吸过程的实例。所述装置用于基于压力和/或真空摆动的气体分离，并且通常以几秒至几分钟的数量级的非常短的循环时间操作，在此期间，它们的热质量或热惯性不发挥主要作用。此外，通常使所述装置经受具有高吸附物浓度的高压流，并且因此可以使用显著小于其截面的开口和流动导管，因为所述特征件上方的压降相对小。例如，us 8,034,164涉及并联操作的多个变压吸附柱，并且公开了柱构造和组装的细节、流量控制和循环优化的细节。us 6,878,186涉及在经典吸附柱中用于纯真空变压解吸的方法和设备，并且涉及经典吸附柱的过程和装置。某些现有技术系统例如wo
‑
a
‑
2013117827描述了基于平行通道的气体分离结构，所述气体分离结构在被包括在用于psa过程的圆柱形压力容器中时确实试图降低压降。
8.如果解吸步骤使用真空，则在入口和出口处的气体控制结构上方存在压降的问题。许多现有技术系统公开了进一步被指定为挡板或阻尼器的大的致动摆动盖，其中所述单元通常不被设计用于高于约0.2巴的压差。某些隔离阀特别适用于真空应用，但必须具有相当大的材料厚度并且在尺寸上受到限制以处理真空应用的大的力。因此，这样的阀在应用于交替加热/冷却步骤时具有高的热质量，并且不能提供必要的流通面积。此外，某些现有技术系统可以具有致动机构。ep
‑
0 864 819公开了内置于用于通风应用但不适用于真空的管道中的用于通风柜的旋转翻板阀。us2005/005609涉及用于燃气轮机应用但不适用于真空的旁路/重定向阻尼器(阀)。gb
‑
a
‑
621195公开了弯曲真空盖，其试图减小材料厚度，但是由于管道中盖的有效厚度而与流截面上方的最小压降的要求不相容。fr
‑
a
‑
1148736和us 3,857,545提出了致动真空盖和阀，通过所述致动真空盖和阀，容器可以被抽空，但是不适用于dac应用中所需的数千倍的大气流。
9.在wo
‑
a
‑
2015185434中再次发现了具有摆动盖的特定dac容器解决方案，然而在此流量限制可能降低输出。如us 2012/0174779、us 2011/0296872和wo
‑
a
‑
2013166432中所示的，用于在dac应用中接触和再生固体吸附剂材料的一些现有技术系统涉及将吸附剂材料和气体分离结构在用于吸附的空气流的第一区域与用于再生的呈室形式的第二区域之间转移。
10.jp
‑
a
‑
2009172479提供了二氧化碳去除剂，所述二氧化碳去除剂可以有效地从大气中吸附二氧化碳，并且此外，可以仅通过略微加热就消除二氧化碳。所提出的二氧化碳去除剂配备有表面暴露于包含二氧化碳分子的大气的钙钛矿结构的二氧化碳吸附膜、用于加热二氧化碳吸附膜的加热器、以及用于排出二氧化碳吸附膜周围空间的排气机。二氧化碳吸附膜对来自大气的二氧化碳分子进行化学吸附，以及加热器使被二氧化碳吸附膜吸附的二氧化碳分子被释放。


技术实现要素：

11.因此，本发明的目的是提供用于气体分离过程特别是用于dac过程的改进结构，所述改进结构具有尽可能很小/较少的组件、易于操作、允许有效的气体分离过程，并且其在长期使用期间高度可靠。
12.因此，本发明提出了如所要求保护的分离单元以及分离单元的布置，和操作这样
的分离单元或这样的分离单元的布置的方法，以及这些元件特别是用于dac过程的用途。
13.更具体地，本发明提出了这样的分离单元，所述分离单元用于将至少一种气态组分从包含该组分的气体混合物中分离，优选地适合并适于从环境空气中分离二氧化碳和/或水蒸气。
14.所提出的分离单元包括至少一个连续且密封的周向壁元件，所述至少一个连续且密封的周向壁元件周向地包围至少一个腔并且限定该至少一个腔的上游开口和相反的下游开口。所述装置被构建成使得处于吸附阶段中的气体混合物穿过上游开口，然后横向地穿过腔的内部并穿过或经过位于腔中的气体吸附结构，然后通过穿过下游开口再次离开，整个空气流除了在气体吸附结构中或气体吸附结构处的湍流和偏转之外优选基本上为线性的。
15.至少一个腔可以优选地为矩形或正方形截面，在这种情况下，提供四个连续且密封的周向壁元件的组：下壁元件、相反的上壁元件和两个相反的侧向周向壁元件，所述两个相反的侧向周向壁元件接合上壁元件和下壁元件的对应端并且周向地包围腔。所述四个连续且密封的周向壁元件的组限定腔的上游开口和相反的下游开口。
16.在阵列中的分离单元的相邻腔的情况下，相邻腔的相邻壁可以由对相邻腔共用的壁元件形成。
17.当限定下壁元件和相反的上壁元件时，这并不意味着相应的腔必须以水平流通方向取向。其也可以与水平方向成一定角度取向，或者流通方向也可以是垂直的。沿着沿通过腔的主要流通方向的观察方向的下壁元件和相反的上壁元件通常被理解为接合两个侧向周向壁元件的两个壁元件。
18.至少一个腔也可以为多边形截面，例如其可以包括八个连续且密封的周向壁元件的组：至少一个下壁元件、至少一个相反的上壁元件和至少两个相反的侧向周向壁元件，所述至少两个相反的侧向周向壁元件直接地或经由倾斜的另外壁元件接合上壁元件和下壁元件的对应端，优选地在这种情况下形成六边形结构，并且周向地包围腔，所述八个连续且密封的周向壁元件的组限定腔的上游开口和相反的下游开口。
19.所提出的原理可以应用于任何多边形或圆形流通截面形状，所述截面形状由形成相应腔的基本上圆柱形的连续且密封的周向壁元件或壁元件的组限定。可能是例如三角形、矩形、方形、五边形、六边形、八边形截面形状。
20.圆形结构也是可能的。在这种情况下，至少一个腔包括一个单一的圆形或椭圆形周向壁元件。
21.所述至少一个腔包括或者至少允许包括用于吸附所述至少一种气态组分优选地在环境压力和/或温度条件下吸附所述至少一种气态组分的至少一种气体吸附结构。如果分离单元包括多于一个腔，例如呈阵列的腔，则每个腔包括或者可以包括这种类型的至少一个单独的气体吸附结构。
22.根据本发明，分离单元包括一对相反的滑动门，所述一对相反的滑动门用于在至少一个腔的关闭状态下分别密封所述至少一个腔的上游开口和下游开口。如果仅存在一个腔，则一对相反的滑动门密封该腔。如果提供了多于一个腔，则一对相反的滑动门还可以同时一次密封这些腔中的多于一者(但不一定是全部)。
23.通常，一对相反的滑动门被安装成使得根据操作状态同步打开和关闭腔。
24.在多于一个腔为分离单元的一部分的情况下，例如在腔的阵列的情况下，所述一对相反的滑动门被优选安装成交替地仅一次关闭一个腔，然后被移动至下一个腔，依此类推，优选地以如下将进一步详述的循环方式。在这样的阵列中，所述一对相反的滑动门也可以被安装成允许其中没有腔被密封的位置，并且优选地，所有腔都可用于流通或不需要通过所述一对相反的滑动门来密封的其他功能，如下将进一步所详述的。
25.为了打开至少一个腔，所述一对相反的滑动门可以在基本上平行于相应滑动门的平面的方向上移动以分别露出上游开口和下游开口，并且允许气体混合物经相应腔和位于其中的气体吸附结构流过。为了放开对应的密封机构，门的滑动运动可以涉及其中除滑动之外或伴随滑动而门被抬离对应开口的阶段。
26.这样的滑动密封门机构是从其他应用中已知的，然而不是从气体分离过程领域中已知的，并且从来没有用于这种特定的设置：其中提供了不是一个而是一对相反的平行滑动门充当用于具有上游开口和下游开口的腔的密封门。事实上，从这些其他领域和应用中已知密封机构的门，例如在us2015/0157030、gb
‑
a
‑
2420711和kr
‑
a
‑
20110095014中，其中在每种情况下，单个滑动门可以替代地隔离并提供至真空腔的通道，并且在打开状态下提供完全无阻碍的截面。然而，这些系统不是被设计用于使气流横向地穿过真空腔，并且相应地缺少第二个这样的门和驱动气流的装置。
27.特别地，所提出的分离单元允许提供如下将进一步描述的腔的阵列，其中一对滑动门用于交替地关闭和打开包括吸附结构的相邻腔，并且允许相邻腔的循环操作。适当数量的腔可以以这样的阵列尤其是根据吸附与解吸之间的时间分布组合。如果例如两阶段之间的比率为2:1，则安装呈包括三个腔的阵列和一对相反的滑动门的分离单元的形式的结构以便交替地关闭阵列中的腔之一用于解吸步骤，同时使阵列中的另外两个腔经受空气和/或气体混合物的横向流通和吸附过程。
28.在本发明的另一个实施方案中，滑动门可以移动至包括吸附器结构的腔的阵列之外的位置。在这样的“中间”位置的情况下，将吸附
‑
解吸过程的时间分布与腔和阵列的几何结构布置分开，由于如果不需要关闭腔，则门可以被布置在该位置，因此允许任何解吸和吸附时间。在对阵列内的吸附结构进行调试、维护或其他工作时，将该“中间”位置放置于这样的腔的阵列的底部或侧面将进一步为待保持的门提供安全位置。
29.因此，在腔的阵列的情况下，这对滑动门可以被定位成与腔的阵列相邻或者在腔之间的槽中，以这样的方式以便不密封任何腔，并且所有腔都对气体混合物的通过流过开放，随后滑动门可以移动至已暴露于气体混合物吸附持续最长时间段的腔，以密封下一个腔，然后该腔暴露于以便根据需要解吸和提取需要解吸的气态组分的条件，或者使滑动门保持在相邻位置处，以允许对整个结构或腔的阵列进行调试、维护或其他工作。
30.优选地，分离单元允许将腔抽空至小于700毫巴(abs)或小于500毫巴(abs)的压力，优选地抽空至小于300毫巴(abs)的压力或者抽空至小于150毫巴(abs)或至多100毫巴(abs)的压力，然后是真空腔。优选地，处于关闭状态的分离单元使腔被抽空至500毫巴(abs)至10毫巴(abs)范围内的压力。
31.更优选地，分离单元使腔暴露于最高至+0.1巴(g)或者最高至+0.2巴(g)或+0.5巴(g)的过压(通常相对于1.01325巴的正常外部压力)。
32.根据所提出的分离单元的一个优选实施方案，至少一个腔的上壁元件和下壁元件
彼此平行布置，侧向壁元件彼此平行布置，并且优选地，所述一对相反的滑动门也彼此平行布置。
33.分离单元还可以包括：在包括吸附结构的至少一个腔的上游开口处或者在包括吸附结构的多个腔中的多于一个腔的情况下的进气室，上游滑动门位于所述进气室中；和在下游开口处的出气室，下游滑动门位于所述出气室处。
34.优选地，在包括吸附结构的多于一个腔的情况下，进气室和/或出气室对所有腔都是共用的。
35.优选地，进气室的上游或形成进气室的入口提供一个或一组优选可移动的百叶窗和/或至少一个气体或空气推进装置，以及/或者出气室的下游或形成出气室的出口优选在出口歧管中安装至少一个气体或空气推进装置，优选为风扇的形式，和/或提供一组优选可移动的百叶窗。
36.一个或两个滑动门可以安装在一对上下导轨上，或者可以安装在单元的相对侧面处的一对导轨上。导轨可以为c导轨。
37.优选地，门利用辊在这些导轨中或这些导轨上行进，并且其中进一步优选地提供可以将相应的门压至在闭合特别是以产生密封件为目的的位置处的相应开口的对应轴向面并且使门与该密封位置再次隔开以允许门滑动来放开相应的开口的装置，并且其中此外门在其上行进的上下导轨(或者在门上下移动的情况下的侧向导轨)可以延伸超出阵列尺寸以使门进入至上述中间位置。
38.滑动门和/或相应的腔开口可以设置有至少一个周向密封元件，优选地呈至少一个密封环的形式和/或呈密封涂层的形式。
39.允许相应的门被压至相应的轴向面并且允许放开相应的开口以使门再次隔开的装置可以例如通过以可轴向移动的方式优选地通过气动驱动的方式安装在框架或周向壁上的一对上下导轨来提供。
40.优选地，所述一对滑动门各自或共同由带例如安装在一对皮带轮上的带驱动。
41.周向壁的轴向长度(即在至少一个腔的流通方向上的壁的长度)优选小于相反的周向壁元件的最小距离。
42.周向壁可以包围矩形或正方形截面，并且所述一对滑动门相应地为矩形或正方形。
43.所述一对门的滑动驱动可以构建成使门(仅)同步成对地平行移动。
44.分离单元还可以在至少一个或优选所有腔处或者至少一个或优选所有腔中包括至少一个稳定元件，优选呈至少一个稳定支柱的形式，以确保结构足够坚固以承受真空或过压条件(如有需要的话)。出于相同的目的，至少一个滑动门优选两个滑动门可以包括稳定元件，优选呈肋的形式，优选在相对于腔的外侧上。
45.如上所指出的，根据本发明的一个特别优选的其他方面，涉及分离单元，所述分离单元不仅具有一个腔而且具有多于一个腔，优选具有腔的阵列，即包括至少两个，优选地至少三个，或者至少四个或者在2至8个或2至6个范围内的腔，周向壁元件包围腔的并且所述腔各自容纳有相应的气体吸附结构。通常，然后，所述一对相反的滑动门被安装成允许交替密封分离单元的一个腔以及顺序地密封另一个腔。优选地，所述一对相反的滑动门以这样的阵列安装成允许其中没有腔被密封的位置，并且优选地，所有腔都可用于流通或不需要
由所述一对相反的滑动门密封的其他功能。
46.在这样的阵列中的腔可以具有如上所详述的腔结构中的任一者，即可以具有为矩形、三角形、正方形、六边形、八边形或圆形的截面形状，并且优选地，分离单元的所有腔具有相同的截面形状和尺寸以允许用同一对相反的密封门交替密封它们中的每一者。
47.相对于现有技术，这种解决方案的一个益处是一对相反的可移动密封门的基础设施可以用于许多腔，从而允许成本节省并改善针对多个门或盖的可靠性。此外，与将气体分离结构移入和移出再生室的现有技术发明相比，移动元件的复杂性和灵敏度低得多，从而降低了风险。更进一步地，在利用变温的再生方法中，门在再生腔之间移动时保持为热的，从而降低了再生的有效热质量，并因此降低了能量需求。针对应用于变压和变温过程的现有技术的装置，本发明的另一个出乎意料的益处是每单位封闭容积的结构腔材料的量，其由于共用分离壁、共用门和相互稳定的周向壁而在本发明中显著低于任何现有技术装置，并且在变温过程中导致显著的成本、复杂性和能量节省。最后，与现有技术的流通应用相比，本发明的明显益处是腔的完整截面可用作流通面积而没有对挡板、盖、阀或其他流动限制共有的阻碍。相应地，给定一个可允许的压降“预算”，该完整值可以应用于保持在气流必须穿过的腔中的气体吸附结构，从而导致较高体积的气体流量以及在气体分离应用中较高的相关物质的吸收率。
48.在这样的阵列中，阵列的腔可以以一个或更多个排彼此相邻布置，并且相邻腔的周向壁元件可以由共用的分离壁形成。优选地，阵列的腔被布置在一个单一的水平或垂直排中并且彼此直接相邻。
49.这样的腔的阵列优选附接至或包括仅一个共用抽空单元、和/或仅一个共用加热单元、和/或仅一个用于气态组分的共用收集单元、和/或仅一个在门的上游侧和/或下游侧处的共用驱动器、和/或仅一组在上游侧处的百叶窗，在每种情况下对于所有腔都共用，而优选地对于每个腔，在上游侧和/或下游侧处提供单独可控的空气推进装置。
50.通常，这样的腔的阵列包括形成所有腔的周向壁元件的一个单一的框架。
51.如上所指出的，根据本发明的一个特别优选的方面，涉及两个如上所详述的分离单元的布置，其中两个分离单元以v取向布置，相应的上游开口面向下或面向斜向下/侧向方向以及相应的下游开口面向上或面向斜向上/侧向方向，并且彼此以倾斜方式面对，并且至少一个或一对气体或空气推进装置优选被布置成推进气体混合物在垂直向上方向上行进通过分离单元。
52.分离单元可以因此在向下方向上取向，其中面法线取向在向下30
°
至60
°
之间，任选地，相邻分离单元以水平镜像的方式彼此毗邻。由此，特别地，气体分离结构被保护免受沉淀物和落下的大气杂质(树叶、雪等)的影响。此外，在成角度的取向上，由轴向深度和最大包络尺寸的高度形成的对角线可以最好用于最大可能的流通截面。
53.此外，本发明涉及操作如上所详述的分离单元或布置的方法，其中所述一对滑动门被定位成密封阵列中的一个腔或者定位在阵列外部的中间位置中，而阵列中的其他的多个腔对气体混合物的横向流通是开放的，密封腔暴露于以便解吸和提取气态组分的条件，而其他的多个腔由空气推进装置驱动以从穿过的气体混合物中吸附气态组分，并且一旦密封腔中的解吸终止，所述一对滑动门就移动至下一个腔，优选在该时刻已暴露于气体混合物吸附持续最长时间段的阵列中的下一个腔，以密封该下一个腔，然后该下一个腔暴露于
以便解吸和提取气态组分的条件，而其他的多个腔由空气推进装置驱动以从气体混合物中吸附气态组分，其中优选地，使步骤的顺序类似地继续以顺序地密封和提取阵列中的所有腔并且循环地重复等于阵列中的腔的数量的吸附和解吸步骤的顺序至少一次，优选地至少100次、或者至少500次或1000次。
54.最后但并非最不重要的是，本发明涉及如上所详述的分离单元或布置、或者根据前述段落所述的方法用于从环境空气中分离二氧化碳和/或水蒸气的用途。
55.因此，本发明的目的优选为提供基于通过流通单元的dac系统，所述流通单元提供最大可能的无阻碍流通面积，对于气体分离过程可单独密封，具有低可能的热质量，并且能够有效地以重复单元分组。
56.因此，提出了用于气体分离的分离单元，所述分离单元包围至少一个并且优选地复数个被指定为腔的封闭空间，所述腔通过分离壁彼此分离并且进一步被横向周向壁包围，还具有至少一对轴向门，其中每对门中的一个门分别在单元的气体入口面和气体出口面上，其中所述门可以在腔之间成对并横向地移动，密封由其包围的空间并使气体穿过其未被隔离的腔，此外，其中腔内的空间可以被气体吸附结构占据，气流穿过所述气体吸附结构以吸附待分离的组分。对于单个腔的情况，分离单元和腔基本上形成装置。
57.对于分离单元允许将腔抽空至低于大气压的压力的情况，这旨在意指如果所述结构处于环境大气压(约1个大气压，即约101325kpa)的环境中，则其能够承受低于1000毫巴(abs)压力的内部压力，优选能够承受700毫巴(abs)、或500毫巴(abs)或100毫巴(abs)，或者更优选地小于10毫巴(abs)的内部压力。因此，提供所述结构以能够承受例如如在5毫巴(abs)至350毫巴(abs)或5毫巴(abs)至200毫巴(abs)的范围内的压力或者甚至比其更低例如10毫巴(abs)或5毫巴(abs)的压力。因此所述结构优选通常能够承受在
‑
0.3巴(g)或
‑
0.5巴(g)，优选地
‑
0.95巴(g)、或
‑
0.99巴(g)、或者甚至
‑
0.9999巴(g)、如此接近于或甚至约
‑
1巴(g)的范围内的外部空间和内部空间之间的负压差以及最高至+0.1巴(g)或最高至+0.5巴(g)的过压差。
58.在以上描述中，轴向意指气体流过分离单元的整体方向，其可以是引导通过分离单元的深度方向的任何方向，包括从单元的底部至顶部或者同样从顶部至底部以及所有其他变体，与流体在单元中是否局部地改变方向无关，横向意指基本上垂直于通过分离单元和腔的气体的整体流，与局部流动方向偏差无关，并因此可以意指基本上水平或垂直、或者实际上介于二者之间的任何方向。此外，在以上描述中，气体分离应理解为从气态混合物中分离可混溶的气态物质，并因此包括气态流，例如空气、烟道气、生物气或地热气或者实际上任何气态混合物。
59.可移动门可以具有(宽度、高度和厚度)0.6m
×
0.6m
×
0.05m，最高至12m
×
3.8m
×
0.3m，优选地2m
×
2m
×
0.14m的特征尺寸，并且作为形成腔的周向壁，可以由金属(特别是铝、铁、钢、不锈钢、碳钢)、复合材料、陶瓷或塑料、或其组合制成。
60.同样地，在腔不是通过移动门密封来避免气流的情况下，即腔对气流开放时，其特征在于特征尺寸为0.55m
×
0.55m直至11.75m
×
3.8m的流通截面，并且具有这样的深度
‑
腔的轴向延伸：0.1m至1.8m，优选为0.2m至1.2m。总体而言，包括门的分离单元的包络尺寸实质上可能受iso 668标准高顶船用集装箱的包络尺寸的限制，从而能够实现标准化、成本有效的运输。本领域技术人员应理解，这样的分离单元可以通过将多个分离单元放置在一起
并将其作为一个设备来操作以组合形成更大的系统。
61.移动门和腔的截面可以为圆形、六边形或矩形，并且任选地，门可以具有增强肋以防止在压力载荷下过度变形，其中这样的肋可以具有50mm至500mm的间距和2mm至20mm的肋厚度。
62.特别地，在矩形门和腔的情况下，分离单元的入口和出口处的轴向面的平面可以用交叉的拉伸支柱例如但不限于横跨流通面积的线缆、链条、杆或板条来增强并且被固定至承载结构
‑
腔的周向壁和分离壁
‑
其中与完整的腔截面相比，该特征件的横向流减少为腔流通面积的小于10％，优选地小于1％。以这种方式，公知桁架结构，可以防止分离单元在压力载荷或由其自身重量引起的载荷下的横向倾斜。在该相同方面的另一个优选实施方案中，气体分离结构可以沿其周向壁和分离壁固定至腔，腔的内周边进一步任选地具有非承载金属丝或塑料网或者具有0.5mm至10mm范围内的孔隙的基本上可透气的材料。以这种方式，由于对于稳定结构不必预见更大的深度，因此倾斜载荷可以由气体分离结构承载而不需要另外的稳定结构，从而防止整个分离单元的变形，同时允许气体分离结构在腔中的更大深度。
63.门可以通过不同类型的驱动系统在横向方向上成对地移动，所述不同类型的驱动系统包括但不限于具有步进电机或其他电机的带、齿轮或者绞盘，其中门的位置被控制成停止在待隔离的腔处。
64.入口面可以设置有气体送气室，所述气体送气室具有分离单元的特征尺寸的尺寸和仅略大于可移动门的深度的深度，并且特征在于从入口气流的一侧沿分离单元或阵列的整个横向长度延伸的一组成角度板(百叶窗)，其中主平面从水平位置向下成30
°
至60
°
的角度或者从水平位置至完全垂直位置任选地可调节。以这种方式，百叶窗可以有效地关闭分离单元的气体入口。
65.用于推动气体(优选大气空气)的运动的风扇可以被放置在气体送气室的轴向壁中，优选在分离单元的气体出口侧上，其中送气室截面的最小流通面积为非隔离腔的流动截面的最小20％，优选最小50％，并且所述送气室对气流是气密的，但是对大于1000pa的压差不是气密的，其中气流不发生进一步分离，以及其中所述送气室可以由诸如金属、塑料、复合材料或陶瓷的材料制成，并且可以任选地内部增强以抵抗诸如雪、冰、雨、风等的外部载荷。
66.一个或两个可移动门可以设置有接触环，所述接触环包围具有与腔相同的形状但具有仅略大于腔的尺寸的特征尺寸的形状，并且在隔离状态下将所述环在轴向方向上与分离单元的轴向面接触。所述接触环可以在其轴向表面上设置有全周长弹性密封元件例如o形环、边缘轮廓上的轮廓密封件、经粘合剂固定的密封型材或任何常见的密封型材。弹性密封元件的芯径为2mm至25mm，优选在3mm至15mm的范围内。此外，门的与腔的轴向面轴向相反的轴向面的全部或部分可以涂覆有弹性材料。该优选实施方案的优点为不必制造明确的密封结构(即o形槽)，这允许成本节省。该优选实施方案的另一个优点是由这样的涂层提供的热绝缘，从而在变温吸附/解吸循环中减少门的有效热质量。
67.可以在可移动门上预见至少一个用于在轴向腔壁上建立可移动门的密封的驱动器，并且与分离单元上的掣子、杠杆或导轨接合，从而将门轴向地朝向分离单元的向外轴向壁平移，从而影响气密密封。优选地，这些装置可以包括但不限于气动或液压驱动器或螺线
管，其中优选地，可以通过任何普通的真空系统从每个腔中抽空气体以实现小于1000毫巴(abs)、优选地小于200毫巴(abs)的压力，其中在装置的另一个优选实施方案中，真空系统的初始快速应用可以提供足够的吸力以实现初始密封并能够进一步抽空。
68.分离单元可以包括另外的入口/出口元件，所述另外的入口/出口元件用于附接至少一个真空泵和/或用于从腔中提取气体和/或液体和/或用于将另外的过程介质特别是水和/或蒸汽引入到由门隔离的分离单元的腔中，其中优选地，可以将每个具有dn40
‑
dn500的尺寸的腔的两个入口/出口元件固定在分离单元的周向水平壁上，此外，其中任选地，将所述入口/出口元件进一步连接至在单个分离单元的整个长度上延伸的集管，从而连接所述分离单元中的所有腔。
69.在另一些实施方案中，在单个分离单元的整个长度上延伸的集管由第一上下周向水平壁与包围两个周向壁之间的所述空间的第二周向水平壁形成，在第一周向壁中具有更多开口以产生至各个腔的通道。
70.因此，根据又一个优选实施方案，形成上述连续且密封的周向壁的壁元件或其部分中的至少一者或优选地至少两者是双壁的，使得两个壁之间的间隙可以用作用于从腔中引入或提取介质的入口/出口元件。优选地，在矩形周向壁结构的情况下，上壁元件和/或下壁元件或者优选二者均被构造为双壁结构，两个壁之间的间隙可用于该功能。这样的优点是：相邻腔的双壁上壁元件之间的间隙和相邻腔的双壁下壁元件之间的间隙可以相互连接以便在腔的上部和/或下部空间上具有一个单个导管。
71.如上所概述的分离单元的用途可以用于直接二氧化碳捕获过程，所述直接二氧化碳捕获过程涉及在环境大气温度和压力下吸附二氧化碳与在低于环境大气压的降低的压力下优选在至多1200毫巴(abs)的压力水平下以及在60℃至130℃优选80℃至120℃的升高的吸附剂材料温度下解吸二氧化碳之间的循环。
72.本发明的另一些实施方案在从属权利要求书中规定。
附图说明
73.以下参照附图描述本发明的优选实施方案，附图是出于说明本发明的当前优选实施方案的目的，而不是出于限制其的目的。在附图中，
74.图1示出了分离单元/两种可能取向的布置的截面：(a)单个垂直对齐的分离单元，以及(b)两个倾斜、对称邻接的分离单元的布置；
75.图2示出了包括六个腔的阵列和一对水平平移门(仅示出了前面的一扇)并且没有气体吸附结构以示出可移动门、腔和百叶窗的位置的分离单元的透视图；
76.图3示出了包括六个腔的阵列和一对水平平移门(仅示出了前面的一扇)而没有气体吸附结构并且在各个腔中/处具有不同的稳定器的分离单元的透视图；
77.图4示出了对于现有技术的dac单元和本发明的dac单元沿气流方向的压降分布；
78.图5示出了对于滑动门在分离单元内的阵列的各个腔之间的横向运动的机构的细节；
79.图6示出了用于在分离单元的门与轴向面之间提供气密密封的机构的细节；
80.图7示出了在重复的真空抽空下运行并保持超过1000次循环的具有可移动门的分离单元的腔内的压力增加；以及
81.图8示出了双周向水平壁作为用于向分离单元的腔或从分离单元的腔输送介质的集管的用途。
具体实施方式
82.图1a示出了通过用于例如直接空气捕获大气co2的分离单元1的垂直截面，其中通过分离单元1的空气流2基本上是水平的。空气流2穿过百叶窗9，穿过第一进气室6，穿过上游轴向面13a处的上游开口31并进入包括气体吸附结构4的腔3，然后穿过位于下游轴向面13b处的下游开口32进入到第二出气室7并作为出口空气流2
+
离开分离单元，由安装在出口歧管33中或出口歧管33处的风扇8驱动。
83.引入和引出收集管道10通过引入和引出管道11连接至各个腔入口/出口元件到单个腔3，并且在该实例中被包括在分离单元1的下周向壁5a中或附接至分离单元1的下周向壁5a。
84.也可以将图1a中所示的分离单元倾斜90
°
，使得通过分离单元1的空气流在向上或者向下流动方向上基本上是竖直的。
85.分离单元1的另一种可能取向示于图1b中。在此，出口空气流2
+
基本上是竖直的，并且分离单元1相对于竖直方向以一定角度取向(倾斜)。这样的分离单元1可以与另一个水平镜像且邻接的分离单元1'组合。
86.在这种情况下，也可以省略百叶窗9，入口空气流2可以经由入口送气室6、在上游轴向面13a处的上游开口31和腔3内部的气体吸附结构4直接进入。
87.提供在位于下游开口32处的下游轴向面13b处起始的基本上三角形的出气室7，以便提供必要的出口面积和推进装置
‑
在这种情况下为风扇8
‑
被容纳在出口歧管33中的出气室7的出口处。
88.在图1b中，示出了两个出口送气室7和7’；然而，这两个出口送气室7和7'也可以组合为一个联合出口送气室，即在其间没有分离壁，而不是两个推进装置(8，8’)或在观察方向上的两排相应的推进装置(8，8’)之外，也可以有一个单一的、居中的推进装置(或者在观察方向上的一排推进装置)。
89.如在图1a中，分离单元1与通过引入和引出管道11连接的引入和引出收集管道10连接至下周向壁5a中或下周向壁5a处的腔3。
90.应理解，由于这对可移动滑动门12不在所示截面的平面中，因此其未在图1的这些视图中示出。这对可移动滑动门12将在入口送气室6和出口送气室7内移动，将被取向成垂直于入口空气流方向2和2
+
，并且在图1b的布置的情况下，上游可移动滑动门位于入口送气室6和6'中，下游可移动滑动门与上游可移动滑动门平行布置在基本上处于气体吸附结构4的正下游的出气室7的滑动门区域27中。
91.此外，在图1a和1b中，分别示出了各自仅具有一个腔3的分离单元1、分离单元1'，但是通常每个分离单元存在至少两个腔，在平行于观察方向的方向上相邻并且基本上彼此相邻。此外，通过在垂直对齐布置的情况下的堆叠单元或在倾斜布置的情况下的邻接单元，可以将该概念扩展至任何数量的分离单元。
92.特别地，对于图1b的布置的情况，如果每个分离单元使用至少两个腔，则出口送气室7和7’(或如上所述的联合出口送气室)可以以使得其在每个分离单元上方形成一个(或
两个平行的)联合出口送气室的方式形成，并且在这种情况下，不需要将各个空气推进装置各自分配至一个腔，并且每个分离单元的空气推进装置的数量不一定需要与该分离单元中的腔的数量匹配。
93.图2示出了可能的分离单元1的透视图，所述可能的分离单元1包括由周向壁5a、5b和5c形成的六个相邻腔3的阵列28，后者是在由分隔壁14给出的相邻腔的情况下，其中，在图示中，从左起的第二个腔通过位于入口送气室中的一对正方形形状可移动门(仅示出上游门12a)来密封，以及剩余五个腔暴露于在这种情况下穿过固定在侧壁29上并由风扇8驱动的百叶窗9的气流2。(未示出的)下游门12b位于下游送气室7中。在分离单元的底部处，在底部周向壁5a中或底部周向壁5a处，设置有一对引入和引出收集管10以向各个腔3或从各个腔3输送介质。
94.在该特定优选实施方案中，如所示的腔3中的每一者的侧壁由厚度为8mm的钢或不锈钢或碳钢制成并且具有1.8m范围内的轴向长度(在流通方向上)。在这种情况下，腔具有通常2.1m的内部高度和2.1m的内部宽度。滑动门可以以高度和宽度为2.2m
×
2.2m的尺寸实现，由材料厚度为8mm的钢、不锈钢或碳钢制成，具有深度为0.16m和材料厚度为5mm的肋，其中所述肋以在门的平面的两个轴中的肋之间为0.2m的间距焊接至门板。
95.如图2中所示的分离单元1可以如下操作：在如该图中给出的这种方案中，将从左起的第二个腔通过上游滑动门12a和下游滑动门12b密封。引入管道11通过阀关闭，以及引出管道11用于抽空该腔。同时，可以将该腔加热，这可以通过将加热液体引入位于腔中和/或气体吸附结构4中的对应管道中以及/或者通过经由引入管道11引入热蒸汽来进行。
96.在抽空和/或加热期间或者在抽空和/或加热之后或者代替抽空和/或加热，也可以引入蒸汽或其他气体作为吹扫气流，并且为了提取二氧化碳，使用引出管道11并且从腔中提取二氧化碳。因此，二氧化碳的提取可以根据过程配置而在有真空或无真空的情况下进行。虽然该过程发生在从左起的第二个腔中，但是从左起的第二个腔的风扇8不运行，或者，优选地，如下进一步所述的以降低的速度运行，而其他风扇正在运行，并且从左起的第一个腔和从右起的四个腔是打开的以流通并用于吸附二氧化碳。
97.一旦从左起的第二个腔中的二氧化碳提取步骤终止，并且任选地，已使从左起的第二个腔再次达到环境温度和/或环境压力，就将这对滑动门移动例如以覆盖从左起的第一个腔并且被操纵以密封从左起的第一个腔。该从左起的第一个腔的风扇的通量减少，而从左起的第二个腔的风扇的通量增加。优选这种在没有完全停止的情况下降低邻近风扇到主动吸附腔的功率，否则空气将通过停止的风扇被抽吸到出口送气室7中，从而减少吸附物吸收。
98.现在，对从左起的第一个腔进行如上所述的对从左起的第二个腔进行的操作，同时使其他腔经受流通以从环境空气中吸附二氧化碳。在下一个循环中，通常将这对滑动门移动以密封在图示中的最右侧位置处的腔，假设所述腔是在该时刻已暴露于环境空气的流通持续最长时间的腔。
99.继续该循环使得滑动门在已将从右起的第一个腔密封之后，然后行进至从右起的第二个腔并且密封该腔，行进至从右起的第三个腔，依此类推。考虑到通常吸附步骤比解吸步骤花费更长的时间，与此类似以最佳方式进行循环过程，其中存在尽可能少的结构元件以操作尽可能多的吸附腔。事实上，布置在这样的阵列中的腔的数量可以适应吸附和解吸
的时间比率。例如，如果吸附和解吸花费相同量的时间，则彼此相邻的两个腔的阵列可能是最合适的。如果吸附和解吸的时间比率为5:1，则给出了如图2中所示的最佳向前操作。
100.可以通过在阵列的外部提供保持或中间位置来放弃或放宽该最佳时间比率，这允许将过程时间与腔和阵列的配置分开，由于如果不需要关闭腔，则门可以被放置在该位置中，因此允许任何解吸和吸附时间。
101.图3示出了可能的分离单元1的框架元件30的变体的细节，所述可能的分离单元1包括通过分离壁14分离并因此各自被周向壁5a、5b和5c包围的六个腔3的阵列28，用分别抵靠于上游面13a和下游面13b的一对可移动门12a和12b(仅示出上游门)进行密封，在这种情况下将从左起的第二个腔密封。在一些腔中或在一些腔处，示出了基于由固定在腔3中至周向壁5和分离壁14的横向支柱的各种组合形成的桁架结构的稳定器15的不同实施方案，或者，如在从左起的第一个腔中，横跨腔截面的透气片也可以为气体吸附结构的元件。任选地，根据分离单元1的所需压力范围和尺寸，可以如最右侧腔中不需要存在稳定器。
102.图4a和4b分别示出了对于现有技术的dac单元和本发明的分离单元在气流2的条件下考虑压降的相关位置(0至iv)。图4c)示出了对于用相同风扇8和相同气体吸附结构4运行的两个单元的所得压力曲线。两个单元均在大气压下在点0处开始抽吸空气，然而在现有技术单元a)中包括管道立即产生压降，而本发明的单元保持压力水平几乎不变直至空气击中气体吸附结构4的点i。在气体吸附结构(点i至点ii)上方，主要的压降发生在风扇8再次将压力增加至大气水平之前。由于单元a)的风扇8必须克服由气体吸附结构4和管道
‑
包括任何盖、致动器和流量限制
‑
的压降构成的压降，产生的气流由构成的压降限定，并且相应地大于其中风扇必须基本上仅克服气体吸附结构的压降的b)的情况。相应地，在情况b)下的气体流量和co2的吸收率高于a)的情况。
103.图5示出了分离单元1的用于门12在这种情况下在阵列28的三个腔3之间横向运动的可能驱动机构的细节，其中腔3的两个外部暴露于各自通过风扇8推动的气流2。门12在固定至阵列28的框架30的上导轨16和下导轨16中被引导和承载以限制其仅在横向方向上的运动，并且通过一个或一对掣子20进一步附接至驱动带18。带18在两个皮带轮17上行进，其中至少一个皮带轮由电动步进电机19驱动。如所示出的门12可以向左以及向右移动。
104.图6示出了用于将可移动门12密封在分离单元1的框架的上游面13上的一种可能机构的细节。在该图中，从侧面描绘该单元并且仅示出了具有容纳在c形导轨16中的上下辊21的上游可移动门12a，所述c形导轨16通过杆22固定至气动驱动器23，所述气动传动器23通过l支架24进一步固定至分离单元1的周向壁5，其中气动驱动器23的收缩将c导轨16和相应的上游门12a拉向上游面13a，使密封环26(以剖视图示出)与上游面13a接触并且提供用于密封分离单元1内部的腔3的密封件。c导轨16在其运动中通过形成4杆联动机构的一对杆25进一步支撑和引导。虽然仅示出了一个门(仅在分离单元的一侧，例如在这种情况下是气体入口上游侧)，但是应理解，相同的镜像机构可以应用于分离单元的另一侧。
105.图7示出了分离单元的一种可能布置的长期测试结果，所述分离单元由尺寸为2.2m
×
2.2m的可移动门和两个真空腔的阵列组成。在密封件被设定在具有一组气动驱动器的分离单元的轴向面上的情况下，这对门通过带驱动器在腔之间重复移动。此外，将腔从大气压力抽空至100毫巴(abs)，其后在将腔重新加压之前保持15分钟的压力，将门移动至第二个腔并且重复抽空和保持压力。使分离单元在周围大气环境中运行多于1000个循环，图7
示出了压力保持结束时压力的最终增加
‑
因此空气泄漏到经抽空的真空腔中。首先看出，该上升在所有循环中均小于10毫巴，并且很好地处于系统指定的范围内，其次，在第一个循环与最后一个循环之间，该上升几乎保持不变，证明了分离单元的循环稳定性和稳健性。
106.实施例1.用于变温真空直接空气捕获装置的材料量和材料强度。
107.表1示出了一种可能实现的分离单元的材料量和材料强度，所述分离单元包括六个相邻腔的阵列和一对水平滑动门。将这与根据wo
‑
a
‑
2015185434的现有技术的由六个单个单元组成的分离装置进行比较。在该实施例中，两种变体均在40英尺iso 668船运集装箱的包络尺寸内实现。
108.表1
[0109] 封闭容积(m3)结构材料质量(kg)材料强度(kg/m3)本发明269000350现有技术2112000570
[0110]
看出，本发明的材料强度降低了40％(其中材料强度描述了包围可以用于吸附结构的一定容积所需的结构材料质量的具体量)，从而导致显著节省制造成本。此外，特别是对于利用变温的直接空气捕获过程，对应减少的热质量代表显著的能量节省。
[0111]
图8示出了分离单元1的一种可能变体，所述分离单元1包括由周向壁5形成的腔3。下周向壁5a和上周向壁5b分别与第二下周向壁5a’和第二上周向壁5b’以双壁元件的形式形成空间(其形成集管10)，其中介质可以通过引入11或引出11流向腔3和从腔3流出。以这种方式，分离单元的结构可以双重用于承载结构载荷和容纳介质。
[0112]
附图标记列表
[0113]1ꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
分离单元
[0114]2ꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
入口气体/空气流
[0115]2+
ꢀꢀꢀꢀꢀ
出口气体/空气流
[0116]3ꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
腔
[0117]4ꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
气体吸附结构
[0118]5ꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
5的周向壁
[0119]
5a
ꢀꢀꢀꢀꢀ
5的下周向壁
[0120]
5a
’ꢀꢀꢀ
5的第二下周向壁
[0121]
5b
ꢀꢀꢀꢀꢀ
5的上周向壁
[0122]
5b
’ꢀꢀꢀ
5的第二上周向壁
[0123]
5c
ꢀꢀꢀꢀꢀ
5的侧向周向壁
[0124]6ꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
进气室
[0125]7ꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
出气室
[0126]8ꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
空气推进装置，风扇
[0127]9ꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
百叶窗
[0128]
10
ꢀꢀꢀꢀꢀ
引入和引出收集管道/间隙
[0129]
11
ꢀꢀꢀꢀꢀ
各个腔的引入和引出管道
[0130]
12
ꢀꢀꢀꢀꢀ
滑动门
[0131]
12a
ꢀꢀꢀꢀ
6中的上游滑动门
[0132]
12b
ꢀꢀꢀꢀ
7中的下游滑动门
[0133]
13a
ꢀꢀꢀꢀ
上游轴向面
[0134]
13b
ꢀꢀꢀꢀ
下游轴向面
[0135]
14
ꢀꢀꢀꢀꢀ
分离壁
[0136]
15
ꢀꢀꢀꢀꢀ
稳定器
[0137]
16
ꢀꢀꢀꢀꢀ
导轨，例如c导轨
[0138]
17
ꢀꢀꢀꢀꢀ
皮带轮
[0139]
18
ꢀꢀꢀꢀꢀ
带
[0140]
19
ꢀꢀꢀꢀꢀ
步进电机
[0141]
20
ꢀꢀꢀꢀꢀ
掣子
[0142]
21
ꢀꢀꢀꢀꢀ
轮
[0143]
22
ꢀꢀꢀꢀꢀ
杆
[0144]
23
ꢀꢀꢀꢀꢀ
气动驱动器
[0145]
24
ꢀꢀꢀꢀꢀ
l型材
[0146]
25
ꢀꢀꢀꢀꢀ
4杆联动机构杆
[0147]
26
ꢀꢀꢀꢀꢀ
密封环
[0148]
27
ꢀꢀꢀꢀꢀ
7的滑动门区域
[0149]
28
ꢀꢀꢀꢀꢀ
具有腔的阵列的分离单元
[0150]
29
ꢀꢀꢀꢀꢀ
6的侧壁
[0151]
30
ꢀꢀꢀꢀꢀ
阵列28的框架
[0152]
31
ꢀꢀꢀꢀꢀ
上游开口
[0153]
32
ꢀꢀꢀꢀꢀ
下游开口
[0154]
33
ꢀꢀꢀꢀꢀ
出口歧管