專利名稱：使用纖維吸著系統(tǒng)的廢熱利用及其使用方法
使用纖維吸著系統(tǒng)的廢熱利用及其使用方法公開主題領(lǐng)域所公開主題涉及纖維吸著系統(tǒng)，特別是能快速加熱和冷卻的用于快速熱傳遞的吸著系統(tǒng)。公開主題背景化學(xué)加工操作，包括石油精煉和石油化學(xué)加工操作是能量消耗量大的。通常需要使用高溫?zé)嵩丛诟邷叵逻M行這些操作，高溫?zé)嵩窗ǖ幌抻谡羝熬珶捄褪突瘜W(xué)加工設(shè)備中存在的其它熱料流。在蒸汽或其它熱料流執(zhí)行了其意欲的功能以后，存在可進一步利用的“廢”或未利用能。精煉廠和石油化學(xué)設(shè)備通常僅使用進行將原油加工成產(chǎn)品所需輸入能的約70%。
在提高效率的努力中，理想的是回收和使用廢或未利用熱。美國專利No. 5，823，003，Rosser等人所述一種方法，企圖使用廢熱并將該熱供入吸附劑材料中以在較高壓力下釋放吸附的氣體，該氣體又可用于含有膨脹閥的致冷循環(huán)中。美國專利No. 5，823，003描述了用于吸著致冷系統(tǒng)的沸石-水組合，將其全部內(nèi)容并入本文中。在化學(xué)方法應(yīng)用中由吸著劑材料得到致冷和功的現(xiàn)有方法具有局限性。通過較低級熱源如廢熱提供的溫度振蕩(AT)小于使用初級熱源提供的。這類局限性通常使從廢熱中回收有用的能是經(jīng)濟上不成立的或不可行的。因此，仍需要通過使由較低級源提供的溫度振蕩(AT)的輸出最大化而改進未利用熱回收努力(例如廢熱回收)和使這類努力更劃算。需要提供具有改進傳熱速率的吸著系統(tǒng)，其能快速加熱和冷卻，因此使通過低級熱源驅(qū)動的吸著系統(tǒng)在經(jīng)濟上更可行。公開主題概述所公開主題的目的和優(yōu)點在以下描述中陳述和獲悉，以及通過所公開主題的實踐學(xué)習(xí)。所公開主題的其它優(yōu)點會通過特別是其書寫的說明書和權(quán)利要求書以及附圖
中指出的方法和系統(tǒng)實現(xiàn)和獲得。為實現(xiàn)這些和其它優(yōu)點以及根據(jù)如所具體化和廣泛描述的所公開主題的目的，所公開主題包括中空纖維吸著系統(tǒng)，特別是能快速加熱和冷卻的吸著系統(tǒng)。根據(jù)本發(fā)明的一個方面，提供纖維吸著系統(tǒng)。該系統(tǒng)包括至少一個容器、工作流體、至少一種熱流體和至少一個位于所述至少一個容器內(nèi)的中空纖維。各中空纖維包含一起形成細長體的吸著劑材料和粘合劑材料。細長體具有中空內(nèi)部和鄰接中空內(nèi)部的內(nèi)表面。內(nèi)表面和外表面中的一個具有在其上形成的涂層。涂層對工作流體和熱流體是不可透的。涂層可由選自聚(氯乙烯)、聚(偏二氯乙烯)、聚(氟乙烯)、聚(偏二氟乙烯)、乙烯乙烯醇共聚物、聚乙烯醇、聚酰胺、聚乙烯(優(yōu)選高密度)、聚丙烯(優(yōu)選高密度)、聚酯、聚酰亞胺、聚丙烯腈、聚砜、聚氨酯、其組合及其衍生物的材料形成。根據(jù)本發(fā)明一個方面，涂層在內(nèi)表面上形成。熱流體通過中空內(nèi)部，但不通過涂層進入吸著劑材料中。熱流體可包括加熱流體和冷卻流體。工作流體可包括二氧化碳。二氧化碳來自石油化學(xué)或化學(xué)加工操作中的工藝流。工作流體與中空纖維的外表面流體連通。
根據(jù)本發(fā)明的另一方面，涂層在外表面上形成。工作流體通過中空內(nèi)部使得它能被細長體中的吸著劑材料吸附和解吸。根據(jù)本發(fā)明的另一方面，公開了纖維吸著系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括至少一個容器、工作流體、至少一種熱流體和至少一個位于所述至少一個容器內(nèi)的中空纖維。各纖維包含形成具有外表面的細長體的吸著劑材料和粘合劑材料。工作流體流過外表面并能被吸著劑材料吸附和解吸。熱流體可流過外表面并能夠傳遞熱而不潤濕纖維表面。熱流體與纖維表面的接觸角大于90°。纖維可進一步包含在外表面上的外涂層。外涂層對工作流體而言是可透的使得工作流體可通過外涂層以被吸著劑材料吸附和解吸。外涂層對熱流體不可透，由此防止熱流體通過外涂層進入吸著劑材料中。外涂層可由有機金屬化合物形成。根據(jù)所公開主題的另一方面，公開了纖維吸著系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括包含至少一個對熱流體(即加熱流體或冷卻流體)以及工作流體而言一般不可透的內(nèi)涂層的中空纖維。內(nèi)涂層限定適于接收供應(yīng)的熱流體(例如蒸氣)的通道。中空纖維進一步包含對工作流體而言可透的外表面。室由外表面和內(nèi)涂層限定，并在外表面和內(nèi)涂層之間，其中吸著劑材料含在室內(nèi)。纖維吸著系統(tǒng)進一步包括與中空纖維的外表面流體連通的工作流體源(例如二氧化碳)。另外，內(nèi)涂層可例如為聚(氯乙烯)、聚(偏二氯乙烯)、聚(氟乙烯)、聚(偏二氟·乙烯)、乙烯乙烯醇共聚物、聚乙烯醇、聚酰胺、聚乙烯(優(yōu)選高密度)、聚丙烯(優(yōu)選高密度)、聚酯、聚酰亞胺、聚丙烯腈、聚砜、聚氨酯等一它們的組合或衍生物。所公開主題還包括由加壓工作流體產(chǎn)生功的方法，該方法包括提供含有本文所公開的纖維吸著系統(tǒng)的容器，并將供應(yīng)的工作流體引至外涂層的外表面；將熱流體(例如加熱流體)引入內(nèi)通道中以得到加壓工作流體；并將加壓工作流體送入功組件中。功組件可以為膨脹閥以提供致冷，或渦輪膨脹器以提供電。根據(jù)所公開主題的另一方面，公開了纖維吸著系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括包含至少一個對工作流體而言可透的內(nèi)表面的中空纖維，其中內(nèi)表面限定適于接收供應(yīng)的工作流體(例如二氧化碳)的通道。中空纖維進一步包含對熱流體和工作流體不可透的外涂層，其中外涂層限定外涂層與內(nèi)表面之間的室，其中吸著劑材料含在室內(nèi)。纖維吸著系統(tǒng)進一步包括與內(nèi)表面流體連通的工作流體源。另外，外涂層可例如為聚(氯乙烯)、聚(偏二氯乙烯)、聚(氟乙烯)、聚(偏二氟乙烯)、乙烯乙烯醇共聚物、聚乙烯醇、聚酰胺、聚乙烯(優(yōu)選高密度)、聚丙烯(優(yōu)選高密度)、聚酯、聚酰亞胺、聚丙烯腈、聚砜、聚氨酯等一其組合或衍生物。所公開主題還包括產(chǎn)生加壓工作流體的方法，該方法包括提供含有本文所公開的纖維吸收系統(tǒng)的容器，并將供應(yīng)的工作流體引入通道中；將加熱流體引入室的外表面中以得到加壓工作流體；并將加壓工作流體送入功組件中。功組件可以為膨脹閥以提供致冷，或渦輪膨脹器以提供電。在典型實施方案中，通道和室各自的橫截面為圓形且彼此同心，其中通道的橫截面直徑為約50至約400 μ m。另外，從外部膜的內(nèi)表面至內(nèi)部膜的外表面的直線距離為約50至約400 μ m。吸著劑材料為沸石，例如沸石13X，且為室總重量的約10至約95%。本文公開的纖維吸著系統(tǒng)適用于其中二氧化碳由石油化學(xué)或化學(xué)加工操作如燃燒操作內(nèi)的工藝流得到的應(yīng)用中。應(yīng)當(dāng)理解前述一般描述和以下詳述是示例性的并意欲提供對所要求保護的公開主題的進一步解釋。
包括并入并構(gòu)成本說明書的一部分的附圖以闡述和提供對所公開主題的方法和系統(tǒng)的進一步理解。附圖與說明書一起用于解釋所公開主題的原理。附圖簡述圖I為常規(guī)吸附系統(tǒng)的示意圖。圖2為描述根據(jù)所公開主題的工作流體的吸附性能的圖。圖3為根據(jù)本發(fā)明實施方案用于纖維吸著系統(tǒng)中的未涂覆纖維的剖視圖。圖4為根據(jù)本發(fā)明另一實施方案用于纖維吸著系統(tǒng)中的涂覆纖維的剖視圖。圖5為根據(jù)本發(fā)明另一實施方案用于纖維吸著系統(tǒng)中的中空纖維的剖視圖。圖6為根據(jù)本發(fā)明又一實施方案用于纖維吸著系統(tǒng)中的另一中空纖維的剖視圖。 圖7為根據(jù)本發(fā)明用于纖維吸著系統(tǒng)中的又一中空纖維的剖視圖。公開主題詳述現(xiàn)在連同圖和以下術(shù)語更詳細地描述所公開主題。如本文所用，術(shù)語“吸著劑材料”指可逆地粘合工作流體的材料。吸著劑材料包括但不限于吸附劑。如本文所用，術(shù)語“工作流體”指可在化學(xué)或物理意義上可逆地粘合于吸著劑材料上的液體或氣體。當(dāng)將工作流體引入膨脹閥中時，它也可稱為冷凍劑。如本文所用，術(shù)語“驅(qū)動裝置”指由工作流體驅(qū)動以產(chǎn)生電或功的渦輪機、軸或其它機制。如本文所用，術(shù)語“容器”指在合適條件下適于容納纖維和熱流體以容許吸著和解吸的容器。如本文所用，術(shù)語“熱流體”指能將溫度變化弓I入吸著劑材料中的液體或氣體。熱流體可以為加熱流體或冷卻流體。如本文所用，術(shù)語“未利用熱”或“未利用熱源”指在精煉或石油化學(xué)加工操作中在熱源用于其主要目的以后伴隨加工操作的殘余或剩余的熱(例如蒸汽)。未利用熱源的一個實例是“廢熱”。例如，未利用熱或未利用熱源可以為在精煉和/或石油化學(xué)加工操作中不再使用且傳統(tǒng)上被拋棄的熱源。未利用熱可作為未利用熱流提供。例如，但不限于，未利用熱可包括用于石油和石油化學(xué)加工中所用換熱器中的蒸汽。鑒于以上定義，現(xiàn)在參考所公開主題的各個方面和實施方案。方法的參考可連同并由本文所公開的系統(tǒng)理解。出于背景技術(shù)的目的而并不認可是現(xiàn)有技術(shù)，吸附系統(tǒng)1000顯示于圖I中。系統(tǒng) 1000 公開于標題為 “System Using Unutilized Heat For Cooling and/or PowerGeneration”的美國專利申請No. 12/603,243中。將其公開內(nèi)容全部并入本文中。提供吸附床(110)，該吸附床含有填充有吸附劑(例如M0F/ZIF/沸石/碳)的管。吸附床適于接收廢熱(120)或冷水(130)的進料。在吸附?jīng)_程中，吸附床具有冷水進料且吸附劑吸附在較低溫度T3和較低壓力P2下的工作流體(例如CO2)。然后用閥阻斷冷水供應(yīng)，然后將廢熱進料供入吸附床中以將吸附床加熱至Tl (>T2)以釋放所吸附的工作流體。加熱提高釋放的工作流體的壓力Pl 0Ρ2)。因此吸附劑充當(dāng)壓縮機，不需要常規(guī)裝置如泵來驅(qū)動循環(huán)。可將加壓工作流體引入渦輪膨脹機(140)中以發(fā)電。在渦輪膨脹機下游，工作流體現(xiàn)在在較低壓力Ρ2和較低溫度Τ2下。熱力學(xué)條件使得工作流體為至少部分冷凝相。在離開渦輪膨脹機以后，將冷凝的工作流體供入蒸發(fā)器(150)中以冷卻精煉廠中的給定工藝流，這又將工作流體的溫度提高至T3。再次將工作流體引入吸附床中并重復(fù)該方法。圖I所示吸附系統(tǒng)裝配有第二吸附床(160)，該吸附床也適于接收廢熱(170)或冷水(180)的進料。具有兩個并聯(lián)的吸附床容許一個吸附床再生(吸附?jīng)_程)，同時另一吸附床為解吸模式。關(guān)于吸著系統(tǒng)的其它細節(jié)可在美國專利申請No. 12/603, 243中找到，通過引用將其全部并入本文中。然而，常規(guī)設(shè)計具有某些缺點。例如吸附劑的間接加熱和冷卻導(dǎo)致較慢的熱傳遞速率和較長的溫度振蕩循環(huán)時間。因此，該設(shè)計需要較大的床和/或多個床，該床提高了吸附系統(tǒng)的成本和下部結(jié)構(gòu)著地點。另外，這類現(xiàn)有技術(shù)系統(tǒng)對于低級廢熱，即300 T以下的溫度而言是無效和/或成本上抑制的。所公開主題的一個方面是常規(guī)吸附床的置換。特別是提供用于產(chǎn)生加壓工作流體 的纖維吸著系統(tǒng)和方法，其包含至少一個中空纖維。中空纖維可構(gòu)造有內(nèi)涂層，所述內(nèi)涂層對熱流體和工作流體而言一般是不可透的，并限定適于接收供應(yīng)的熱流體的通道。中空纖維還包含外表面，所述外表面對工作流體一般不具有抗性，工作流體限定外表面與內(nèi)涂層之間的室。吸著劑材料含在內(nèi)涂層與外表面之間的室內(nèi)。在該構(gòu)型中，將供應(yīng)的工作流體弓I入纖維的外表面中，并將熱流體如加熱流體弓I入通道中以由吸著劑材料得到加壓工作流體。作為選擇，所公開主題提供了用于產(chǎn)生加壓工作流體的纖維吸著系統(tǒng)和方法，其中中空纖維構(gòu)造有內(nèi)表面，所述內(nèi)表面對工作流體滲透不具有抗性，并限定適于接收供應(yīng)的工作流體的通道。中空纖維還包含外涂層，所述外涂層對熱流體(例如加熱流體)和工作流體而言一般不可透以限定外涂層與內(nèi)表面之間的室。吸著劑材料含在內(nèi)表面與外涂層之間的室內(nèi)。在該構(gòu)型中，將供應(yīng)的工作流體引入纖維的內(nèi)通道中，并將熱流體引入室的外表面中以由吸著劑材料得到加壓工作流體。所公開主題的系統(tǒng)和方法利用所選擇吸著劑如MPF/ZIF/沸石等對工作流體如CO2等的吸附性能。這些吸附關(guān)系的示意圖闡述于圖2中。特別是，溫度的提高降低CO2吸收的量。另外，壓力的提高降低CO2吸收。為闡述而不限制，現(xiàn)在參考本發(fā)明的幾個代表性實施方案。圖3公開了根據(jù)本發(fā)明用于吸著系統(tǒng)中的未涂覆纖維10。纖維10包含吸附劑11和粘合劑12。根據(jù)本發(fā)明，纖維10由吸附劑11和粘合劑12構(gòu)成，其工作流體吸附和解吸的能力和速率不受熱流體的存在影響。以該配置，纖維10對工作流體和熱流體可透且不潤濕纖維表面。合適的吸附劑更詳細地描述于下文中。粘合劑12或粘合試劑可以為無機材料(包括但不限于粘土和二氧化硅樹脂)或聚合材料(包括但不限于聚酰亞胺、聚酰胺、聚乙烯醇和纖維素)。認為其它粘合劑材料在本發(fā)明范圍內(nèi)是合適的，條件是這類粘合劑材料不會不利地影響吸附劑11對工作流體的吸附和解吸的能力和速率。根據(jù)使用纖維10的本發(fā)明，吸著系統(tǒng)包含容納或包含在容器(例如吸附床110和160)中的多個纖維10。工作流體和熱流體能夠在容器內(nèi)混合。盡管與圖I所述系統(tǒng)1000聯(lián)合描述了本發(fā)明，但本發(fā)明不意欲限于此；而是預(yù)期纖維10可用于容許工作流體和熱流體混合的任何吸著系統(tǒng)中。圖4公開了根據(jù)本發(fā)明用于吸著系統(tǒng)中的涂覆纖維20。纖維20包含吸附劑21、粘合劑22和外涂層23。外涂層23對工作流體可透，但對熱流體不可透。以該配置，吸附劑21和粘合劑22的選擇不限于其工作流體的吸附和解吸的能力和速率不受熱流體的存在影響的那些材料。外涂層23優(yōu)選為有機金屬化合物。有機金屬化合物的金屬組分來自基于具有1-18族的周期表IUPAC版式的4-15族，優(yōu)選14族，更優(yōu)選硅和錫，尤其是硅。有機金屬化合物的有機組分為具有1-30個碳原子，優(yōu)選1-20個碳原子，更優(yōu)選1-10個碳原子的烴基。烴基可以為脂族或芳族基團，其中脂族或芳族基團可被官能團如氧、鹵素、羥基等取代。優(yōu)選的經(jīng)基包括甲基、乙基、甲氧基、乙氧基和苯基。優(yōu)選的有機金屬化合物包括燒氧基娃燒、硅烷、硅氮烷和苯基硅氧烷。尤其優(yōu)選的化合物包括具有1-4個烷氧基的烷氧基硅烷，尤其是四烷氧基化合物如四乙氧基硅烷，具有1-6個烷氧基的二烷氧基硅烷，尤其是六甲基二硅氧烷。纖維20上的有機金屬材料外涂層23應(yīng)具有高于90°，優(yōu)選高于110°的高水接 觸角。外涂層23可能不覆蓋纖維20的整個外表面。根據(jù)本發(fā)明，外涂層23應(yīng)覆蓋纖維20外表面的大于25%至表面的100%，優(yōu)選50-100%，更優(yōu)選80-100%。覆蓋的外表面的量最優(yōu)選為100%或盡可能接近100%。根據(jù)使用纖維20的本發(fā)明，吸著系統(tǒng)包含容納或包含在容器(例如吸附床110和160)內(nèi)的多個纖維20。工作流體和熱流體能夠在容器內(nèi)混合。外涂層23防止熱流體通過纖維20進入纖維20的內(nèi)部至吸附劑21和粘合劑22中。盡管與圖I所述系統(tǒng)1000聯(lián)合描述了本發(fā)明，但本發(fā)明不意欲限于此；而是預(yù)期纖維20可用于容許工作流體和熱流體混合、防止熱流體進入纖維20中的任何吸著系統(tǒng)中。圖5公開了根據(jù)本發(fā)明用于吸著系統(tǒng)中的中空纖維30。中空纖維30包含吸附劑31、粘合劑32和內(nèi)涂層33。中空纖維30含有延長纖維30的長度的中空內(nèi)部34。配置中空內(nèi)部34以容許熱流體流入其中。內(nèi)涂層33將中空內(nèi)部34與吸附劑31和粘合劑32分離。內(nèi)涂層33對工作流體和熱流體而言均不可透。以該配置，吸附劑31和粘合劑32的選擇不限于其工作流體的吸附和解吸的能力和速率不受熱流體的存在影響的那些材料。熱流體不會從中空內(nèi)部34進入纖維30的內(nèi)部。工作流體通過纖維30的外部被吸附到吸附劑中。內(nèi)涂層33可以為例如聚(氯乙烯)、聚(偏二氯乙烯)、聚(氟乙烯)、聚(偏二氟乙烯)、乙烯乙烯醇共聚物、聚乙烯醇、聚酰胺、聚乙烯(優(yōu)選高密度)、聚丙烯(優(yōu)選高密度)、聚酯、聚酰亞胺、聚丙烯腈、聚砜、聚氨酯等、其組合及其衍生物。根據(jù)使用纖維30的本發(fā)明，吸著系統(tǒng)包含容納或包含在容器(例如吸附床110和160)內(nèi)的多個纖維30。熱流體流過纖維30的中空內(nèi)部34。熱流體提供所需熱傳遞以容許工作流體在吸附劑31中吸附和解吸。工作流體能夠從纖維30進入容器的內(nèi)部而不與熱流體混合。盡管與圖I所述系統(tǒng)1000聯(lián)合描述了本發(fā)明，但本發(fā)明不意欲限于此；而是預(yù)期纖維30可用于防止工作流體和熱流體混合的任何吸著系統(tǒng)中。圖6公開了根據(jù)本發(fā)明用于吸著系統(tǒng)中的中空纖維40。中空纖維40包含吸附劑41、粘合劑42和外涂層43。中空纖維40含有延伸纖維40長度的中空內(nèi)部44。配置中空內(nèi)部44以容許工作流體流入其中。工作流體可從中空內(nèi)部44進入吸附劑41和粘合劑42中。外涂層43對工作流體和熱流體而言均不可透。以該配置，吸附劑41和粘合劑42的選擇不限于其工作流體的吸附和解吸的能力和速率不受熱流體的存在影響的那些材料。熱流體不會進入纖維40中。外涂層43可以為例如聚(氯乙烯)、聚(偏二氯乙烯)、聚(氟乙烯)、聚(偏二氟乙烯)、乙烯乙烯醇共聚物、聚乙烯醇、聚酰胺、聚乙烯(優(yōu)選高密度)、聚丙烯(優(yōu)選高密度)、聚酯、聚酰亞胺、聚丙烯腈、聚砜、聚氨酯等一其組合及其衍生物。圖7描述了纖維吸著系統(tǒng)的代表性實施方案，其中至少一個中空纖維50具有含在其中的吸著劑。然而，一般而言，吸著系統(tǒng)包含容納或包含在容器中的多個纖維。在該非限定性實施方案中，通道51適于接收蒸氣(加熱流體)和水(冷卻流體)。通道51由不可透內(nèi)涂層52如聚丙烯腈(PAN)限定。室53限定于內(nèi)涂層51與外涂層54之間并填充有吸著劑顆粒55如沸石13X或具有附著的胺的中孔二氧化硅。室還包含聚合物載體材料56以幫助保持中空纖維的結(jié)構(gòu)完整性?！ぶ锌绽w維56可以以管構(gòu)型形成，且包含內(nèi)涂層51和外涂層54，在內(nèi)涂層51和外涂層54之間限定室53。在優(yōu)選實施方案中，室53沿著長度延伸，其與內(nèi)涂層和外涂層共同延伸并含有吸著劑材料(例如沸石13X)。這使可置于室內(nèi)的吸著劑材料的量最大化。優(yōu)選，吸著劑材料沿著中空纖維的長度以均勻的濃度或密度置于室內(nèi)。內(nèi)涂層限定各個中空纖維內(nèi)的通道或孔。通道沿著中空纖維的整個長度延伸并適于接收用于與內(nèi)涂層直接接觸的供應(yīng)流體。如下文進一步所述，取決于中空纖維吸著系統(tǒng)的實施方案，通道內(nèi)接收的流體可以為工作流體或熱流體(加熱/冷卻流體)。在一個實施方案中，內(nèi)涂層一般對熱流體不可透，且一般對工作流體可透的外涂層限定外涂層與內(nèi)涂層之間的室。在該構(gòu)型中，將供應(yīng)的工作流體引入外涂層的外表面中，并將熱流體(例如加熱流體)引入通道內(nèi)以由吸著劑材料得到加壓工作流體。作為選擇，內(nèi)涂層可一般對工作流體可透，且外涂層可一般對熱流體不可透。在該構(gòu)型中，將供應(yīng)的工作流體引入纖維的內(nèi)通道內(nèi)，并將熱流體(例如加熱流體)引入通道的外表面中以由吸著劑材料得到加壓工作流體。在典型實施方案中，中空纖維具有約100 μ m內(nèi)徑和100 μ m室厚度。該構(gòu)型容許吸著劑在吸著床內(nèi)的密集填充。該尺度的纖維的優(yōu)點在于吸著床的溫度可在數(shù)秒內(nèi)從熱變?yōu)槔?。另外，該溫度振蕩頻率容許使吸著系統(tǒng)的尺寸和著地點最小化。各中空纖維的通道和室優(yōu)選橫截面是圓形的且以同心構(gòu)型取向。例如，通道為基本圓形且直徑為約50μπ 至約400 μ m。另外，線性室厚度可以為約50 μ m至約400 μ m。根據(jù)所公開主題的另一方面，多個纖維可排列成類似于殼管式換熱器的管束。多個纖維可以以一般平行配置排列。作為選擇，多個纖維可以彼此取向成某一角度。纖維可以以相鄰纖維部分彼此接觸的方式配置，或以在整個纖維長度上置于其間的均勻空間提供。在典型實施方案中，由于外表面對工作流體不具有抗性且內(nèi)涂層對熱和工作流體不可透，殼側(cè)可以與工作流體(例如CO2)連通且孔側(cè)可與加熱介質(zhì)(例如蒸汽)或冷卻介質(zhì)連通。在優(yōu)選實施方案中，廢熱(例如低級廢熱)作為加熱流體用于驅(qū)動吸著系統(tǒng)。在所公開主題的一些應(yīng)用中，加熱通過來自化學(xué)加工或石油精煉操作的廢熱提供。在一個實施方案中，廢熱為約343至約573K，或更優(yōu)選約363至約523K。盡管為了簡化，工作流體主要就CO2而言描述，但可使用其它工作流體。在一個實施方案中，工作流體為氣體且選自二氧化碳、甲烷、乙烷、丙烷、丁烷、氨、氯氟烴(例如Freon )、其它冷凍劑，或其它合適流體。類似地，吸著劑材料主要就沸石13X而言描述，但不限于它。在一個實施方案中，吸著劑材料選自沸石、硅膠、碳、活性炭、金屬有機骨架(MOF)和沸石咪唑化物骨架(ZIF)。在一個實施方案中，工作流體為二氧化碳和/或吸著劑材料為沸石。在一個實施方案中，工作流體為二氧化碳且沸石為沸石X，優(yōu)選沸石13X。吸著劑材料如本文所用，術(shù)語“吸著劑材料”指在化學(xué)或物理意義上可逆地粘合工作流體的材料。吸著劑材料包括吸附劑。可用于所公開主題的實施方案中的吸著劑材料包括但不限于金屬有機骨架基(M0F基)吸著劑、沸石咪唑骨架(ZIF)吸著劑材料、沸石和碳。MOF基吸著劑包括但不限于具有多種金屬、金屬氧化物、金屬簇或金屬氧化物簇結(jié)構(gòu)單元的MOF基吸著劑。如國際公開申請No. W02007/111738 (通過引用將其并入本文中)所公開的，金屬可選自周期表中的過渡金屬，和鈹。典型金屬包括鋅(Zn)、鎘(Cd)、汞(Hg) 和鈹(Be)。金屬結(jié)構(gòu)單元可通過有機化合物連接以形成多孔結(jié)構(gòu)，其中用于連接相鄰金屬結(jié)構(gòu)單元的有機化合物可包括1，3，5-苯三苯甲酸酯(BTB) ;1，4_苯二酸酯(BDC);環(huán)丁基1，4-苯二酸酯(CB BDC) ;2_氨基1，4_苯二羧酸酯(H2N BDC);四氫芘2，7-二酸酯(HPDC)；三聯(lián)苯二酸酯(TroC) ; 2，6萘二酸酯(2，6-NDC);芘2，7_ 二酸酯(TOC);聯(lián)苯二酸酯(BDC)；或任何具有苯基化合物的二酸酯。具體材料MOF基吸附劑材料包括M0F-177，具有通式Zn4O (I，3，5-苯三苯甲酸酯)2的材料；M0F-5，也稱為IRMOF-I，具有通式Zn4O (1，4-苯二酸酯)3的材料；IRM0F_6，具有通式Zn4O (環(huán)丁基1,4-苯二酸酯)的材料；IRM0F-3，具有通式Zn40(2-氨基1，4苯二酸酯)3的材料；和IRM0F-11，具有通式Zn4O(三聯(lián)苯二酸酯)3或Zn4O(四氫芘2，7-二酸酯)3的材料；和IRM0F-8，具有通式Zn4O (2，6萘二酸酯)3的材料。典型沸石咪唑骨架(ZIF)吸著劑材料包括但不限于ZIF-68、ZIF-60、ZIF-70、ZIF-95、ZIF-100，其由洛杉磯加利福尼亞大學(xué)開發(fā)，并一般性地討論于Nature 453，207-211 (2008年5月8日)中，通過引用將其全部并入本文中。沸石吸附劑材料包括但不限于式M2/n0 · Al2O3 · ySi02 · wH20表示的娃招酸鹽,其中y為2或更大，M為電荷平衡陽離子，例如鈉、鉀、鎂和I丐，N為陽離子化合價，且w表示沸石空隙中所含水的摩爾數(shù)?？砂ㄔ诒旧暾埖姆椒ê拖到y(tǒng)中的沸石的實例包括天然和合成沸
O天然沸石包括但不限于菱沸石(CAS登記號12251-32-0 ；典型式 Ca2 [(AlO2)4 (SiO2)8] · 13H20)、絲光沸石(CAS 登記號 12173-98-7;典型式Na8 [(AlO2)8 (SiO2)40] · 24H20)、毛沸石(CAS 登記號 12150-42-8 ;典型式(Ca, Mg, Na2,K2) 4.5[ (AlO2) 9 (SiO2)27] · 27H20)、八面沸石(CAS 登記號 12173-28-3，典型式(Ca, Mg,Na2, K2) 29.5[ (AlO2) 59(Si02) 133] · 235H20)、斜發(fā)沸石(CAS 登記號 12321-85-6，典型式Na6 [(AlO2)6 (SiO2)3J ·24Η20)和鈣十字石(典型式(O. 5Ca，Na，K) 3 [ (AlO2) 3 (SiO2) 5] ·6Η20)
O合成沸石包括但不限于沸石A(典型式=Na12[ (AlO2) 12 (SiO2) 12] · 27Η20)、沸石X (CAS 登記號 68989-23-1 ;典型式=Na86 [AlO2) 86 (SiO2) 106] · 264Η20)、沸石 Y (典型式Na56 [(AlO2)56 (SiO2)136] ·250Η20)、沸石 L(典型式K9 [ (AlO2)9(SiO2)27] ·22Η20)、沸石 Ω (典型式=Na6.8TMAL6 [AlO2) 8 (SiO2)28] · 2IH2O,其中 TMA 為四甲銨)和 ZSM-5 (典型式(Na, TPA)3 [(AlO2) 3 (SiO2)93] · 16H20，其中 TPA 為四丙銨)?？捎糜诒旧暾埖膶嵤┓桨钢械姆惺€包括Encyclopedia of ChemicalTechnology,Kirk-Othmer,第 16 卷，第 4 版,標題“Molecular Sieves”中公開的沸石，通過引用將其全部并入本文中。合成沸石吸著劑材料是市售的，例如由W. R. Grace and Co. (Columbia, Md.)和Chengdu Beyond Chemical (Sichuan, P. R.中國)以Sylosiv 商標市售。例如Sylosiv AlO為一種市售的沸石13X產(chǎn)品。本串請纖維吸著系統(tǒng)的用途本申請吸附劑系統(tǒng)可用于多種應(yīng)用中，條件是設(shè)備容許存在含有吸著劑材料的容器、工作流體源、熱源和將解吸的工作流體有效地送入膨脹裝置中以提供致冷或送入驅(qū)動裝置中以提供電或功的裝置。例如可將解吸的氣體送入焦耳-湯姆森膨脹閥中以提供致·冷。作為選擇，可將解吸的工作流體送入渦輪機以提供電或送入軸中以提供功。本文所述吸著系統(tǒng)可用于提供致冷、功率和致冷與功率組合。本申請吸著系統(tǒng)的可能應(yīng)用包括住宅(用于在夏季產(chǎn)生空氣調(diào)節(jié)和在冬季的熱泵)、車輛(其中車載空氣調(diào)節(jié)使用廢熱)和工業(yè)(精煉和化學(xué)裝置)。在本申請的一個優(yōu)選實施方案中，吸附系統(tǒng)用于化學(xué)或石油化學(xué)精煉裝置中，且解吸的工作流體用于提供致冷以幫助其它加工區(qū)域，特別是依賴溫差分離混合物各組分的區(qū)域。例如，致冷可用于從沿著煙囪上升的煙道氣中回收液化石油氣(LPG，C3+)，或致冷可用于操作冷凝器以改進真空蒸餾塔的效力，特別是在夏季。通過適當(dāng)選擇吸附劑和工作流體，吸著系統(tǒng)可有效使用比現(xiàn)有技術(shù)中的吸著系統(tǒng)預(yù)先提供的更低級的熱。例如，在本申請的一個實施方案中，熱源為溫度為約70°C至約300°C，更優(yōu)選約90°C至約250°C的“未利用熱”。根據(jù)本發(fā)明，預(yù)期吸附劑和工作流體可使用標題為 “System Using Unutilized Heat For Cooling and/ or Power Generation，，的美國專利申請No. 12/603，243所公開的壓力指數(shù)選擇。將其公開內(nèi)容全部并入本文中。通過適當(dāng)?shù)剡x擇熱流體和涂料，應(yīng)使毛細管作用的負面影響保持最小。通過在熱流體/涂料中使用合適的表面活性劑和添加劑以降低熱流體與涂層之間的界面張力，例如對于水、清凈劑等和對于三甘醇、硬脂酸等。該代表性實施方案用于示例目的；本申請和本發(fā)明都不限于以上或申請中他處公開的具體實施方案。所公開主題不限于本文所述具體實施方案的范圍。事實上，除本文所述那些外，本發(fā)明的各種改進由本領(lǐng)域技術(shù)人員從前文描述和附圖中獲悉。這類改進意欲屬于所附權(quán)利要求的范圍內(nèi)。應(yīng)當(dāng)進一步理解所有值為近似值并用于描述。本申請中引用了專利、專利申請、公開、產(chǎn)品描述和協(xié)議，通過引用將其各自關(guān)于全部目的的公開內(nèi)容全部并入本文中。
權(quán)利要求
1.纖維吸著系統(tǒng)，其包括 至少一個容器； 工作流體； 至少一種熱流體； 至少一個位于所述至少一個容器內(nèi)的中空纖維,其中中空纖維包含 (a)形成細長體的吸著劑材料和粘合劑材料； (b)具有中空內(nèi)部的細長體； (C)具有內(nèi)表面和外表面的細長體，其中內(nèi)表面與中空內(nèi)部相鄰； (d)內(nèi)表面和外表面中的一個具有在其上形成的涂層，其中涂層對工作流體和熱流體而言是不可透的。
2.根據(jù)權(quán)利要求I的纖維吸著系統(tǒng)，其中涂層在內(nèi)表面上形成，其中熱流體流過中空內(nèi)部。
3.根據(jù)權(quán)利要求2的纖維吸著系統(tǒng)，其中工作流體與中空纖維的外表面流體連通。
4.根據(jù)權(quán)利要求I的纖維吸著系統(tǒng)，其中涂層在外表面上形成，其中工作流體通過中空內(nèi)部使得它能夠被細長體中的吸著劑材料吸附和解吸。
5.根據(jù)權(quán)利要求4的纖維吸著系統(tǒng)，其中工作流體與中空纖維的內(nèi)表面流體連通。
6.根據(jù)權(quán)利要求2-5的纖維吸著系統(tǒng)，其中涂層選自聚(氯乙烯)、聚(偏二氯乙烯)、聚(氟乙烯)、聚(偏二氟乙烯)、乙烯乙烯醇共聚物、聚乙烯醇、聚酰胺、聚乙烯(優(yōu)選高密度)、聚丙烯(優(yōu)選高密度)、聚酯、聚酰亞胺、聚丙烯腈、聚砜、聚氨酯、其組合及其衍生物。
7.纖維吸著系統(tǒng)，其包括 至少一個容器； 工作流體； 熱流體； 至少一個位于所述至少一個容器內(nèi)的中空纖維，其中中空纖維包含內(nèi)涂層，其限定適于接收其中供應(yīng)的熱流體和工作流體中的一個的通道；外涂層，其限定外涂層與內(nèi)涂層之間的室；和含在室內(nèi)的吸著劑材料和粘合劑材料，其中內(nèi)涂層和外涂層中的一個為對熱流體而言不可透的一般不透膜，且其中內(nèi)涂層和外涂層中的另一個為對工作流體而言可透的一般可透涂層。
8.根據(jù)權(quán)利要求7的纖維吸著系統(tǒng)，其中可透涂層選自纖維素纖維、聚砜、聚氨酯和聚酰亞胺。
9.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項的纖維吸著系統(tǒng)，其中熱流體包括加熱流體和冷卻流體。
10.根據(jù)權(quán)利要求9的纖維吸著系統(tǒng)，其中加熱流體包括蒸汽。
11.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項的纖維吸著系統(tǒng)，其中吸著劑材料為沸石。
12.根據(jù)權(quán)利要求11的纖維吸著系統(tǒng)，其中沸石為沸石13X。
13.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項的纖維吸著系統(tǒng)，其中工作流體包括二氧化碳。
14.根據(jù)權(quán)利要求13的纖維吸著系統(tǒng)，其中二氧化碳來自石油化學(xué)或化學(xué)加工操作中的工藝流。
15.纖維吸著系統(tǒng)，其包括至少一個容器； 工作流體； 至少一種熱流體；和 至少一個位于所述至少一個容器內(nèi)的纖維，其中各個纖維包含形成具有外表面的細長體的吸著劑材料和粘合劑材料，其中工作流體流過外表面并能夠被吸著劑材料吸附和解吸。
16.根據(jù)權(quán)利要求15的纖維吸著系統(tǒng)，其中熱流體流過外表面并且不潤濕纖維表面。
17.根據(jù)權(quán)利要求15或權(quán)利要求16的纖維吸著系統(tǒng)，其進一步包括在外表面上的外涂層，其中外涂層對工作流體而言是可透的，使得工作流體可通過外涂層以被吸著劑材料吸附和解吸，其中外涂層對熱流體不可透，由此防止熱流體通過外涂層進入吸著劑材料中。
18.根據(jù)權(quán)利要求15-17的纖維吸著系統(tǒng)，其中外涂層由有機金屬化合物形成。
全文摘要
所公開主題涉及使在吸著系統(tǒng)中用于得到提供功和/或致冷(例如電和/或致冷)的操作壓力溫度振蕩(ΔT)最小化的方法改進和設(shè)備設(shè)計。這種方法改進和設(shè)計特別適于利用工業(yè)方法(例如化學(xué)加工或石油化學(xué)精煉操作)中的廢熱，其中低級熱源用于驅(qū)動吸著系統(tǒng)。
文檔編號F25B17/08GK102918337SQ201180026888
公開日2013年2月6日 申請日期2011年3月31日 優(yōu)先權(quán)日2010年4月1日
發(fā)明者B·S·米哈斯, I·A·科迪, M·S·耶加內(nèi) 申請人:?？松梨谘芯抗こ坦?br>