本發(fā)明涉及從液體吸附劑中分離co2和回收基本純的co2，用于進(jìn)行封存或其它處理，以便防止它釋放至大氣中。

背景技術(shù)：

已經(jīng)開(kāi)發(fā)了多種方法來(lái)使用液體吸附劑，用于從發(fā)電廠和其它工業(yè)源發(fā)出的燃燒煙道氣中捕獲二氧化碳。在吸收/吸附co2之后，它將轉(zhuǎn)移至解吸單元，在該解吸單元中，它通常被加熱至更高的溫度，以便釋放基本純的co2，該co2能夠被回收，以便進(jìn)一步處理。典型的co2吸附劑在大約30℃至40℃的初始溫度下接觸煙道氣，然后，富含co2的液體吸附劑的溫度通常升高至100℃至125℃的范圍，以便解吸二氧化碳?xì)怏w。液體吸附劑的溫度能夠通過(guò)與換熱器接觸而升高至解吸范圍。

從富含co2的液體吸附劑中解吸c(diǎn)o2所需的能量必須以熱量的形式由發(fā)電設(shè)備中的其它系統(tǒng)來(lái)提供，且熱的貧co2吸附劑液體必須在它能夠返回接觸煙道氣之前再次降低溫度。商業(yè)發(fā)電設(shè)備的研究表明，即使是用于從煙道氣中回收co2和進(jìn)行液體吸附劑再循環(huán)的最有效和最有效的系統(tǒng)，與操作沒(méi)有co2捕獲(以便減少co2釋放到大氣中)的相同設(shè)備相比，也導(dǎo)致發(fā)電設(shè)備的總效率明顯降低。

因此，存在這樣的問(wèn)題，該問(wèn)題涉及由用于液體吸附劑再生的本發(fā)電系統(tǒng)和方法消耗的能量的量，該液體吸附劑用于從煙道氣中捕獲和回收co2。

在usp8512660('660專(zhuān)利)中公開(kāi)了一種使用旋風(fēng)分離器的方法，該旋風(fēng)分離器有壓力控制裝置，以便選擇性地從液體吸附劑回收甲烷，該液體吸附劑還包含從沼氣中分離的co2。在使用洗滌液或吸附劑來(lái)從甲烷沼氣中吸附除去二氧化碳時(shí)，大約10％的、存在于沼氣中的甲烷也能夠被吸附。通過(guò)仔細(xì)維持co2釋放開(kāi)始的溫度，能夠?qū)崿F(xiàn)只從富含co2和甲烷的洗滌溶液中有效分離甲烷，例如，在最先釋放1％至2％的co2的情況下，幾乎全部的吸附甲烷都從液體吸附劑中釋放。在這種溫度控制加熱之后，富含co2和包含甲烷的液體吸附劑供給至離心分離器，用于從液相中分離甲烷氣體，其中，甲烷和小部分溶解的co2通過(guò)氣相來(lái)逸出。對(duì)該氣相進(jìn)行回收，并通入吸附器單元，在該吸附器單元中，它與新鮮粗制沼氣混合。然后，從離心分離器中取出的液相(該液相是幾乎不含甲烷和富含co2的液體吸附劑)通過(guò)第二個(gè)換熱器，并在這里將它加熱至所需的co2解吸溫度，因此，吸附劑在解吸單元中再生，并再循環(huán)至吸附單元。

在'660專(zhuān)利的一個(gè)實(shí)施例中，控制在旋風(fēng)分離器中的氣相的壓力，以使得離心分離器中的溫度波動(dòng)和供給的液體吸附劑的氣體負(fù)載變化能夠通過(guò)壓力控制器來(lái)補(bǔ)償。

因此，'660專(zhuān)利涉及在已經(jīng)用于處理沼氣的液體吸附劑中使得10％左右的甲烷與co2分離的問(wèn)題，這依賴(lài)于動(dòng)力學(xué)和溶解度參數(shù)的差異，該差異導(dǎo)致甲烷更快速的解吸。'660專(zhuān)利采用在解吸單元中將富含co2的液體吸附劑加熱至足夠高溫度的常規(guī)現(xiàn)有技術(shù)方法，以便釋放co2。再有，在計(jì)算系統(tǒng)的總效率時(shí)，在加熱和冷卻液體吸附劑時(shí)消耗的能量必須加入至處理中。

因此，需要一種改進(jìn)的系統(tǒng)和方法，它能夠接收富含co2的液體吸附劑流，并比當(dāng)前的系統(tǒng)更高效地處理它，以便將co2從液體吸附劑中剝離至預(yù)定濃度，用于再循環(huán)，還回收基本純的co2流，且與目前已知的可用方法相比有更低的能量消耗。

具體地說(shuō)，本發(fā)明要解決的問(wèn)題是怎樣通過(guò)降低富含co2的液體吸附劑必須加熱的溫度(以便解吸預(yù)定比例的吸附co2)來(lái)在常規(guī)燃燒煙道氣中降低能量消耗以及提高co2捕獲和回收處理的效率，從而使得貧co2的液體吸附劑能夠再循環(huán)，以便接觸煙道氣。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

通過(guò)本發(fā)明的方法和系統(tǒng)解決了上述問(wèn)題和提供了其它優(yōu)點(diǎn)，其中，富含co2的液體吸附劑在與煙道氣接觸之后作為增壓流通過(guò)加熱區(qū)域，在該加熱區(qū)域中，液體吸附劑的溫度升高至預(yù)定溫度，例如，在一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例中升高至大約85℃，然后在減小壓力的情況下引入普通類(lèi)型的旋風(fēng)分離器，該旋風(fēng)分離器在usp8337603中公開(kāi)。在液體/氣體混合物上的離心力、升高的溫度和減小的壓力的組合導(dǎo)致co2與液體吸附劑(co2從該液體吸附劑中釋放)相對(duì)更快速和高效地分離。液體吸附劑下降到旋風(fēng)分離器的底部，并作為貧co2吸附劑流而回收，對(duì)它進(jìn)行冷卻和再循環(huán)至吸附單元。包含co2的氣體流從旋風(fēng)分離器中取出，并通過(guò)冷凝器，以便除去存在的任何水分和其它蒸汽。然后，回收基本純的co2，用于儲(chǔ)存或在下游進(jìn)一步處理。

本發(fā)明的方法在廣義上包括：使得增壓的、富含co2的液體吸附劑流通過(guò)加熱區(qū)域，通常在湍流狀態(tài)下，以便使它的溫度升高至小于co2將在系統(tǒng)壓力下基本完全解吸的溫度；在過(guò)渡區(qū)域中使得加熱的、富含co2的液體吸附劑流從湍流狀態(tài)轉(zhuǎn)變成大致線(xiàn)性流，然后在向下螺旋流動(dòng)通路中轉(zhuǎn)變成的旋轉(zhuǎn)流動(dòng)狀態(tài)(該向下螺旋流動(dòng)通路在形成旋風(fēng)分離器時(shí)也使得液體吸附劑受到離心力)，且在向上的氣體流動(dòng)通路中同時(shí)從所述液體吸附劑中抽取co2、水蒸汽和任何其它微量氣體；使包含co2的氣體流通過(guò)冷凝區(qū)域，以便冷凝和除去存在的水和任何其它液體；以及從冷凝區(qū)域回收基本純的co2流。

本發(fā)明的裝置和系統(tǒng)包括：加熱區(qū)域，該加熱區(qū)域具有至少一個(gè)換熱器和相關(guān)聯(lián)的溫度控制器，具有一個(gè)或多個(gè)交換器的加熱區(qū)域有用于從煙道氣接觸吸附區(qū)域接收富含co2的液體吸附劑流的進(jìn)口以及用于在預(yù)定溫度下排出富含co2的液體吸附劑的出口；來(lái)自換熱器出口的吸附劑導(dǎo)管；以及旋風(fēng)分離器，該旋風(fēng)分離器具有與吸附劑導(dǎo)管出口流體連通的進(jìn)口。在優(yōu)選實(shí)施例中，旋風(fēng)分離器的結(jié)構(gòu)和尺寸設(shè)置成使得從加熱區(qū)域接收的、加熱的富含co2的液體吸附劑流的任何湍流最小化，并使液體吸附劑流通過(guò)過(guò)渡區(qū)域，在該過(guò)渡區(qū)域中，它在進(jìn)入向下螺旋流動(dòng)區(qū)域(該向下螺旋流動(dòng)區(qū)域使得液體吸附劑受到離心力)時(shí)經(jīng)歷從大致線(xiàn)性流動(dòng)通路轉(zhuǎn)變成旋轉(zhuǎn)流動(dòng)狀態(tài)，同時(shí)降低在液體吸附劑表面上的壓力。

減壓裝置(例如與包含co2的氣體和蒸汽流流體連通的泵)可以用于使得該流通向在旋風(fēng)分離器下游的冷凝區(qū)域中的冷凝器。冷凝器保持在有效冷凝從液體吸附劑移出的基本全部解吸水和/或其它汽化化合物的溫度。冷凝區(qū)域包括分別用于排出基本純的co2流(該co2流被回收以便用于進(jìn)一步處理)和用于排出冷凝液的出口。

已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)如下面詳細(xì)所述而變化時(shí)，usp8337603('603專(zhuān)利)中公開(kāi)的旋風(fēng)分離器的結(jié)構(gòu)能夠用于以高效方式從加熱的液體吸附劑流中有效地解吸和分離co2，即使該co2液體吸附劑的溫度顯著低于co2將在大氣壓下解吸的溫度。

'603專(zhuān)利的旋風(fēng)分離器的這種效用和改進(jìn)效率是驚人的。這也背離了'603專(zhuān)利中介紹的操作模式和使用，該'603專(zhuān)利涉及油和水的混合物的調(diào)節(jié)，以便促進(jìn)液滴聚結(jié)以及氣體組分分離(作為氣/油分離設(shè)備或gosp的一部分)。在從儲(chǔ)油巖層生產(chǎn)原油時(shí)，液體原油伴隨著石油氣，還包含一定比例的水。包括石油、天然氣和水的多相流體在井口下游在gosp中進(jìn)行處理，以便盡可能地除去水以及它溶解的鹽，因?yàn)辂}對(duì)油田和煉油設(shè)備有很高的腐蝕性。

在本發(fā)明的方法實(shí)踐中，富含co2的液體吸附劑流首先在基本沒(méi)有氣體組分的情況下輸送，因?yàn)閏o2與吸附劑分子結(jié)合。在方法的第一步驟中，富含co2的液體吸附劑的溫度升高至預(yù)定值，這將導(dǎo)致co2分子在本發(fā)明的旋風(fēng)分離器中在減壓狀態(tài)和離心力作用下向下游的釋放。提供給增壓吸附劑流的熱量預(yù)定為提供足夠能量來(lái)破壞在co2和該方法使用的特殊吸附劑之間的吸引結(jié)合。旋風(fēng)效果的應(yīng)用將在裝置中產(chǎn)生集中的低壓區(qū)域，該低壓區(qū)域用于降低在流動(dòng)的液體吸附劑的表面處的co2蒸汽壓力，同時(shí)還使co2分子離開(kāi)表面，以便提供雙重效果，即驅(qū)動(dòng)自由co2分子從液體吸附劑傳質(zhì)，以及它們的向上運(yùn)動(dòng)離開(kāi)降低的貧co2液體吸附劑，以便離開(kāi)旋風(fēng)分離器的上部區(qū)域。

通過(guò)換熱器的液體吸附劑將經(jīng)歷湍流狀態(tài)，以便使它的溫度有效提高至合適水平。從換熱器排出的加熱液體吸附劑優(yōu)選是進(jìn)入吸附劑導(dǎo)管，在該吸附劑導(dǎo)管中，它從湍流狀態(tài)轉(zhuǎn)變成大致更線(xiàn)性的流動(dòng)狀態(tài)。為了使得湍流的產(chǎn)生最小化，吸附劑導(dǎo)管優(yōu)選是設(shè)置為線(xiàn)性通道，而在它的出口之前以及在加熱的吸附劑排入至旋風(fēng)分離器的主體中之前沒(méi)有肘節(jié)或尖銳彎頭。

旋風(fēng)分離器優(yōu)選是包括預(yù)旋轉(zhuǎn)元件，該預(yù)旋轉(zhuǎn)元件提供從吸附劑導(dǎo)管的平滑過(guò)渡，從而保持和進(jìn)一步促進(jìn)加熱的、富含co2的吸附劑的線(xiàn)性流動(dòng)。已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，使湍流狀態(tài)最小化將增加co2的分離效率，因此，在分離器的旋風(fēng)部分中存在湍流狀態(tài)將降低co2的解吸效率。

如本領(lǐng)域普通技術(shù)人員所理解，基于成本、設(shè)備布局和系統(tǒng)部件布置的考慮，上述吸附劑管道能夠制造為旋風(fēng)分離器的一部分，而不是作為單獨(dú)的一段管。

當(dāng)加熱的液體吸附劑從吸附劑導(dǎo)管中的增壓狀態(tài)通入分離器的預(yù)旋轉(zhuǎn)部分內(nèi)時(shí)，橫截面積增加，液體表面上的壓力立即減小，從而促進(jìn)二氧化碳的解吸。液體進(jìn)入分離器的旋轉(zhuǎn)部分，并通過(guò)中間出口進(jìn)入豎直部分。維持旋風(fēng)效果，以便進(jìn)一步促進(jìn)co2和水蒸汽從液體吸附劑的解吸。co2和水蒸汽以及釋放的任何其它蒸汽都從分離器的豎直旋風(fēng)部分的頂部出來(lái)，并通過(guò)氣體蒸汽排出導(dǎo)管而進(jìn)入冷凝器，在該冷凝器中，水和任何其它蒸汽將液化，并作為單獨(dú)的流而回收，而基本純的co2流也進(jìn)行回收，用于封存、儲(chǔ)存和/或其它下游用途。

在通過(guò)一個(gè)或多個(gè)換熱器之后，貧co2的吸附劑在大約40℃或更低的溫度下再循環(huán)至吸附單元。

在較低溫度下執(zhí)行co2分離的能力導(dǎo)致能量的按比例節(jié)省，還延長(zhǎng)了液體吸附劑的壽命以及在系統(tǒng)中使用更少的吸附劑。因此，相對(duì)于現(xiàn)有技術(shù)的系統(tǒng)，用于處理給定體積的液體吸附劑的本發(fā)明系統(tǒng)的尺寸和相關(guān)投資成本能夠減小。

附圖說(shuō)明

下面將參考附圖更詳細(xì)地介紹本發(fā)明，附圖中：

圖1是本發(fā)明系統(tǒng)的實(shí)施例的簡(jiǎn)化示意圖，該系統(tǒng)用于從co2吸附單元再生富含co2的液體吸附劑流和回收基本純的co2流；

圖2是在本發(fā)明的方法和系統(tǒng)中使用的旋風(fēng)分離器的實(shí)施例的簡(jiǎn)化透視圖；

圖3a-3f分別是在本發(fā)明中使用的旋風(fēng)分離器系統(tǒng)的一部分的實(shí)施例在從不同方位看的一系列四個(gè)俯視側(cè)視透視圖，以及正視圖和俯視圖；

圖4a和4b分別是在本發(fā)明中使用的旋風(fēng)分離器系統(tǒng)的簡(jiǎn)化示意尺寸俯視圖和側(cè)視圖；

圖5是在實(shí)例1的液體吸附劑中的co2濃度和相應(yīng)co2吸附百分比的曲線(xiàn)圖；以及

圖6是與圖5相對(duì)應(yīng)的情況的曲線(xiàn)圖，表示了實(shí)例2的co2濃度。

具體實(shí)施方式

下面參考圖1的示意圖，根據(jù)本發(fā)明的系統(tǒng)100表示為在常規(guī)co2吸附單元10的下游，該常規(guī)co2吸附單元包含合適的包裝材料12，并包括原料煙道氣進(jìn)口管線(xiàn)14和處理后煙道氣出口16(用于排出減少co2含量的氣體)。吸附單元10在進(jìn)口18處接收貧co2的液體吸附劑，并通過(guò)與吸附劑泵20流體連通的吸附劑出口19而排出富含co2的液體吸附劑。在吸附區(qū)域中的吸附劑的溫度范圍為從30℃至40℃。在co2捕獲單元10中，貧co2吸附劑流量與燃燒氣體的流量成比例，以便使co2吸附最大化。

增壓的、富含co2的液體吸附劑流通向本發(fā)明的系統(tǒng)100和通入加熱區(qū)域30，并進(jìn)入第一換熱器32，在該第一換熱器中，它的溫度通過(guò)與返回的貧co2液體吸附劑流18的熱交換而增加，該貧co2液體吸附劑流再循環(huán)至吸附單元10，如后面更詳細(xì)所述。熱的吸附劑換熱器32和任選的輔助換熱器36的尺寸和結(jié)構(gòu)將根據(jù)要處理的液體吸附劑的體積和溫度升高的所需范圍而確定。這些部件的設(shè)計(jì)參數(shù)和選擇在本領(lǐng)域技術(shù)人員的能力之內(nèi)。

熱的、富含co2的液體吸附劑從換熱器32通向輔助換熱器36(該輔助換熱器是可選的，當(dāng)需要使得吸附劑升高至合適的解吸溫度時(shí))，該輔助換熱器有加熱流體進(jìn)口35和流體出口37。任何可用的熱處理流體(例如，在除去co2之前的熱煙道氣)可以通過(guò)輔助換熱器36，以便增加吸附劑溫度。

然后將加熱的吸附劑通入特別設(shè)置的旋風(fēng)分離器40，在該旋風(fēng)分離器中，加熱的吸附劑通過(guò)進(jìn)口42而引入至開(kāi)放內(nèi)部空間，并在向下螺旋的流動(dòng)通路中受到離心力。這時(shí)未受限制的熱液體吸附劑將釋放自由co2，該自由co2通過(guò)中心立管出口44而離開(kāi)旋風(fēng)分離器40的本體。co2流(該co2流通常包括水蒸汽的和可能的少量來(lái)自液體吸附劑的其它汽化化合物)通過(guò)進(jìn)口72引入冷凝器70。基本純的co2流從冷凝器出口74排出；冷凝液通過(guò)液體出口76而除去，該液體出口裝備有普通的閥和控制器(未示出)。

熱的貧co2液體吸附劑在重力作用下向下流過(guò)旋風(fēng)分離器40，并通過(guò)與再循環(huán)泵22流體連通的出口49而排出。如上所述，熱的再循環(huán)吸附劑流17在它返回至吸附單元吸附劑進(jìn)口18之前通入換熱器32中與更冷的、富含co2的吸附劑進(jìn)行換熱。圖1中還顯示了用于補(bǔ)充吸附劑溶液的可選儲(chǔ)存容器80，該可選儲(chǔ)存容器通過(guò)閥82和三通閥84而與再循環(huán)泵22流體連通。

本領(lǐng)域已知的、用于從煙道氣和其它燃燒流中捕獲co2的任何液體吸附劑溶液都能夠在本發(fā)明的方法中使用。液體吸附劑可以是有機(jī)材料，例如胺或含胺化合物，或者是無(wú)機(jī)材料，例如20％的k2co3水溶液。應(yīng)當(dāng)理解，其它已知的液體吸附劑溶液也能夠用于實(shí)施本發(fā)明的方法和系統(tǒng)。為了本說(shuō)明和工作實(shí)例的目的，本發(fā)明將參考包含k2co3水溶液的吸附劑溶液來(lái)介紹。在所述系統(tǒng)中，富含co2的吸附劑的溫度在加熱區(qū)域30中升高到80℃至85℃的范圍。

吸附單元10可以是任何已知和常規(guī)的設(shè)計(jì)，并不形成本發(fā)明的一部分。包含co2的煙道氣或其它燃燒氣體連續(xù)地通過(guò)吸附單元10，以便接觸液體吸附劑，該液體吸附劑優(yōu)選是逆流地連續(xù)供給，并有足夠的停留時(shí)間，以便優(yōu)化co2從氣流中的吸附。在吸附區(qū)域中，煙道氣的進(jìn)口溫度保持在30℃-40℃之間。富含co2的吸附劑離開(kāi)吸附單元10，并通向本發(fā)明的再生單元100，在該再生單元中，它在吸附劑再生之前進(jìn)行預(yù)熱；在大約80℃至85℃的溫度下，co2在連續(xù)操作中高效地與吸附劑分離。本發(fā)明的系統(tǒng)和方法應(yīng)當(dāng)理解為與需要使co2解吸溫度在100℃-125℃范圍內(nèi)的、有更高能量需求的常規(guī)再生方法相比相當(dāng)有利。

在圖2中進(jìn)一步顯示了特別適用于實(shí)施本發(fā)明的旋風(fēng)分離器系統(tǒng)40以及吸附劑再生方法。本發(fā)明的設(shè)備包括串聯(lián)的加熱區(qū)域30和氣液分離器40，該設(shè)備在比現(xiàn)有技術(shù)方法中所需的溫度更低的溫度下快速地再生吸附劑?；旌衔镌谶M(jìn)入旋風(fēng)分離器40之前的預(yù)熱提供了在減壓條件下釋放液體吸附劑-co2結(jié)合和解吸c(diǎn)o2的足夠能量，同時(shí)旋風(fēng)分離器通過(guò)在離心力作用下的物理分離而操作液體吸附劑，從而提高在相對(duì)較低溫度范圍內(nèi)的分離效率，并減少用于吸附劑再循環(huán)和回收co2的停留時(shí)間。旋風(fēng)分離器40沒(méi)有運(yùn)動(dòng)部件，并能夠在基本不維護(hù)的情況下連續(xù)作用。

現(xiàn)在參考旋風(fēng)分離器40的簡(jiǎn)化透視圖，加熱的、富含co2的液體吸附劑通過(guò)吸附劑導(dǎo)管42而進(jìn)入，如圖所示，該吸附劑導(dǎo)管為圓形，具有與它的直徑d1成比例的橫截面積。吸附劑導(dǎo)管42的出口與旋風(fēng)部件43的進(jìn)口部分43a以流體密封關(guān)系配合，且它們各自的軸線(xiàn)優(yōu)選以大約0°定向，即，熱吸附劑流的縱向或軸向方向在它從傳熱區(qū)域30通向吸附劑導(dǎo)管42和進(jìn)入旋風(fēng)部分43的進(jìn)口部分43a中時(shí)沒(méi)有明顯的變化。進(jìn)入的流體流在它進(jìn)入螺旋段43b時(shí)基本沿切向行進(jìn)。在液體吸附劑從吸附劑導(dǎo)管42通向進(jìn)口部分43a時(shí)的任何湍流都能夠例如通過(guò)錐形或圓錐形連接部分(未示出)而消除或最小化。

下面參考圖3和圖4，圖中更詳細(xì)地表示了旋風(fēng)分離部件40，運(yùn)動(dòng)的液體受到離心力作用，該離心力導(dǎo)致co2與吸附劑更快速和高效的分離。在旋風(fēng)分離器中形成的渦旋部提供了在旋風(fēng)分離器中心的開(kāi)放式空間區(qū)域，該區(qū)域具有減小的壓力，并促進(jìn)co2逸出，因?yàn)槲絼┯捎谒南鄬?duì)較高的密度而朝向旋風(fēng)部件的周邊運(yùn)動(dòng)。由于作用在吸附劑上的重力的作用，該吸附劑的流動(dòng)方向向下；釋放的co2朝向旋風(fēng)分離器的中心和向上運(yùn)動(dòng)，與吸附劑的運(yùn)動(dòng)方向相反。液體吸附劑在旋風(fēng)部件中的通路的長(zhǎng)度預(yù)定為使得從吸附劑釋放的co2的量最大，以便提供貧co2的再循環(huán)流。

如本文使用的術(shù)語(yǔ)“面積”是指與承載流動(dòng)吸附劑的管或?qū)Ч艿闹本€(xiàn)形部分的縱向軸線(xiàn)或弧形段的曲率半徑垂直的截面面積。為了容易參考和方便進(jìn)一步介紹旋風(fēng)分離單元，某些截面定義為圓形，并有直徑“d”。通常，管和管道的原材料為圓形，但是也可以使用其它管形形狀，并計(jì)算相應(yīng)的面積。

下面參考圖4a和4b的尺寸圖，使用的符號(hào)具有以下意義：d表示圓形管的直徑，s表示參考元件在所示位置處的截面面積，r是參考元件的曲率半徑，α°是由所示弧線(xiàn)界定的角度，l是參考元件的長(zhǎng)度。為了清楚，圖4a和4b省略了元件標(biāo)號(hào)。

下面將參考旋風(fēng)分離器的旋轉(zhuǎn)部分和旋風(fēng)豎直部分來(lái)更詳細(xì)地介紹旋風(fēng)分離器的優(yōu)選實(shí)施例。旋轉(zhuǎn)部分包括：(a)控制旋轉(zhuǎn)部件43，該控制旋轉(zhuǎn)部件43位于截面(s1)和截面(s2)之間；以及(b)與旋風(fēng)豎直部件47連接的連接元件，該連接元件位于截面(s2)和截面(s3)之間。

如圖4a所示和參考圖2和3a-3f的元件標(biāo)號(hào)，d1是吸附劑導(dǎo)管42的直徑，s1是進(jìn)口部分43a的進(jìn)口的面積，而s2是螺旋部分43b的、在通向豎直部分47的進(jìn)口45附近的面積。進(jìn)口45的面積表示為s3。打開(kāi)角α°確定了沿著旋風(fēng)部件43界定在與s1和s2相對(duì)應(yīng)的截面之間的圓弧。

在圖4b中，d2是具有截面s4的豎直部分47的直徑，d3是水平部分48的直徑，該豎直部分和水平部分彼此正交，如圖所示。co2出口44的直徑定義為d4。旋風(fēng)進(jìn)口45上面的豎直管至豎直部分47的長(zhǎng)度為l1，l2是從旋風(fēng)進(jìn)口下面至水平部件頂部的交叉點(diǎn)的長(zhǎng)度，而l3是沿水平部件48從與豎直部件的交叉點(diǎn)至排出導(dǎo)管49的中線(xiàn)的長(zhǎng)度。

下面的表包括表示用于處理含水的k2co3液體吸附劑的本發(fā)明系統(tǒng)的某些優(yōu)選實(shí)施例的設(shè)計(jì)參數(shù)和關(guān)系。

表

曲率半徑r1能夠沿著吸附劑的通路連續(xù)減小或以逐步方式減少，例如，其中，旋風(fēng)部件43的形狀是螺旋形，或者是螺旋形的一部分，或者r1能夠成兩個(gè)或多個(gè)具有不同曲率半徑的弧形部分的形式，這些弧形部分進(jìn)行連接，以便產(chǎn)生平滑線(xiàn)性流動(dòng)通路，它在吸附劑進(jìn)入開(kāi)口45和沿著豎直部分47的壁下降時(shí)加速該吸附劑。

參考圖3a-3f和4，通過(guò)具有直徑(d1)的吸附劑導(dǎo)管42而來(lái)自于吸附單元10的、富含co2的混合物在截面(s1)處切向進(jìn)入分離器40。用于進(jìn)入吸附劑的進(jìn)口部分(s1)的截面面積優(yōu)選是比導(dǎo)管47的面積大至少10％。

液體在它通過(guò)旋風(fēng)分離器時(shí)獲得的旋轉(zhuǎn)速度與預(yù)旋轉(zhuǎn)元件的中心線(xiàn)的曲率半徑(r1)有關(guān)。曲率半徑(r1)優(yōu)選是在2<r1/d1<6的范圍內(nèi)，且開(kāi)口角度在150°<α°<250°的范圍內(nèi)。

從截面(s2)處來(lái)自于預(yù)旋轉(zhuǎn)部分43a的流體流通過(guò)連接部分43b而經(jīng)過(guò)截面(s3)通向豎直部件47，且有較高旋轉(zhuǎn)速度，該旋轉(zhuǎn)速度產(chǎn)生具有低壓中心區(qū)域的旋風(fēng)，該低壓中心區(qū)域促進(jìn)co2的解吸和收集。在連接元件出口截面(s3)和進(jìn)口截面(s2)之間的比率優(yōu)選是保持在2<s3/s1<5的范圍內(nèi)。

如上所述，與現(xiàn)有技術(shù)的系統(tǒng)相比，本發(fā)明的系統(tǒng)和方法在解吸過(guò)程中在相對(duì)低得多的溫度下高效地進(jìn)行。在加熱區(qū)域中，k2co3的co2吸附劑的溫度升高至大約80℃，加熱后，加熱的吸附劑混合物在較低壓力的中心區(qū)域通過(guò)旋風(fēng)部件，以便通過(guò)在離心力的附加作用下進(jìn)行物理分離而加速地提高co2的解吸。與現(xiàn)有技術(shù)的方法相比，該效果有在相對(duì)較低溫度下提高分離效率的明顯優(yōu)點(diǎn)。這又減少了在解吸溫度下的停留時(shí)間，從而延長(zhǎng)了吸附劑的使用壽命。上述旋風(fēng)分離器40的新穎設(shè)計(jì)參數(shù)提高了co2與吸附劑的物理分離。更具體地說(shuō)，具有高旋轉(zhuǎn)速度的吸附劑和co2混合物從截面(s3)處進(jìn)入受控的旋風(fēng)豎直管，且co2氣體分子在旋風(fēng)作用的影響下與液體吸附劑快速地分離。

旋風(fēng)部形成于豎直部件47的上部部分和下部部分中。在上部部分中，混合物的特征在于較高co2濃度，而在下部部分中，混合物的特征在于貧co2液體吸附劑中的較低co2濃度。

管形部件47的內(nèi)徑(d2)(如在任何水平平面中測(cè)量)優(yōu)選是在1.2<d2/d1<5的范圍內(nèi)。內(nèi)徑d2優(yōu)選是從頂部到底部恒定。

豎直部件47的上端裝配有直徑在0.05<d4/d2<0.4范圍內(nèi)的co2和蒸汽排出導(dǎo)管44。

設(shè)備的尺寸和結(jié)構(gòu)將根據(jù)進(jìn)入的混合物的特性來(lái)設(shè)置，在吸附劑中的較大百分比co2將釋放并從上部co2排放導(dǎo)管44離開(kāi)分離器；貧co2的吸附劑在截面(s4)處從豎直部件穿過(guò)水平部件48至再循環(huán)導(dǎo)管49，用于再循環(huán)至吸附器10。

水平部件48的直徑(d3)(如在豎直平面中測(cè)量)優(yōu)選是在2<d3/d1<45范圍內(nèi)，且優(yōu)選是在該部件的長(zhǎng)度上恒定。長(zhǎng)度(l3)優(yōu)選是在1.2<l3/d3<5的范圍內(nèi)。

具有減少的co2濃度的吸附劑(即貧co2的液體吸附劑)通過(guò)再循環(huán)導(dǎo)管49從分離器中除去，該再循環(huán)導(dǎo)管附接在由端蓋48a密封的水平部件48的下部部分出口上。再循環(huán)導(dǎo)管的內(nèi)徑(d5)優(yōu)選是在0.05<d5/d3<0.4的范圍內(nèi)。

由上面所述可以理解，當(dāng)旋風(fēng)分離器旋轉(zhuǎn)部分43b的有效半徑r1減小以便形成螺旋通路時(shí)，在液體吸附劑上的離心力增加，液體沿該螺旋通路運(yùn)動(dòng)通過(guò)系統(tǒng)。一旦吸附劑離開(kāi)吸附劑導(dǎo)管42的增壓狀態(tài)并進(jìn)入預(yù)旋轉(zhuǎn)部分43a的較大截面面積，co2的蒸汽壓力就增加。當(dāng)co2從旋風(fēng)分離器的中心區(qū)域中抽取時(shí)，從動(dòng)力學(xué)角度其有利于從液體吸附劑連續(xù)地逸出，直到在系統(tǒng)中達(dá)到主要溫度和壓力狀態(tài)的平衡。

由上面所述可以理解，本發(fā)明與usp8337603('603專(zhuān)利)的方法和裝置的區(qū)別在于返回部件是開(kāi)口的以便排出液體。如在'603專(zhuān)利的圖1所示，當(dāng)裝置30位于水平重力分離容器14的進(jìn)口處時(shí)，在返回部件38設(shè)置和定位成使得出口40面向容器14的上游端板20時(shí)獲得良好的導(dǎo)向葉片效果。在裝置30位于豎直重力分離器的進(jìn)口處的實(shí)施例中，根據(jù)容器的進(jìn)口和出口的位置，旋風(fēng)部件36能夠定向在任何豎直平面中。在本發(fā)明中，返回部件48是關(guān)閉的，吸附劑通過(guò)其底部的開(kāi)口而經(jīng)由再循環(huán)導(dǎo)管49排出

在優(yōu)選實(shí)施例中，包含旋風(fēng)分離器的元件進(jìn)行隔熱，以防止向周?chē)髿獾臒釗p失，以便節(jié)省為了解吸c(diǎn)o2而添加的能量。承載加熱的吸附劑的元件包括吸附劑導(dǎo)管42、旋風(fēng)旋轉(zhuǎn)部件43、豎直部分47和水平部分48以及通過(guò)換熱器32的返回再循環(huán)導(dǎo)管18。絕緣對(duì)于這個(gè)系統(tǒng)100的節(jié)能的重要性隨著環(huán)境空氣溫度的降低而增加。

實(shí)例

在隨后的實(shí)例中，k2co3的20％吸附劑水溶液與co2濃度分別為5.1％和13.9％的兩種氮?dú)饣旌衔锝佑|。對(duì)于兩種co2濃度，液體和氣體混合物的恒定流量分別保持在0.85l/min和6.5l/min。操作情況如下：

吸附器溫度：33℃；

再生器溫度：大約83℃；以及

運(yùn)行時(shí)間-大約15分鐘。

測(cè)試結(jié)果表明，對(duì)于在供給氣體中的5％co2濃度，co2吸附為25％，對(duì)于在供給氣體中的13.9％co2濃度，co2吸附為55％。繼續(xù)對(duì)大量的吸附循環(huán)進(jìn)行測(cè)試。測(cè)試結(jié)果的詳細(xì)說(shuō)明將在圖5和圖6中表示。測(cè)試表明，通過(guò)貧co2的吸附劑連續(xù)流過(guò)co2吸附單元以便捕獲co2；離開(kāi)該單元的吸附劑富含吸附的co2氣體。富含co2的吸附劑連續(xù)地進(jìn)入本發(fā)明的旋風(fēng)分離器再生單元并釋放co2。離開(kāi)再生單元的貧co2吸附劑連續(xù)地再循環(huán)至吸附單元，用于再次co2吸附。

實(shí)例1：

圖5中以點(diǎn)線(xiàn)表示了在使用吸附單元的co2吸附測(cè)試之前(區(qū)域i/基線(xiàn))、過(guò)程中(區(qū)域ii/吸附)和之后(區(qū)域iii/返回基線(xiàn))的co2的濃度型面。另外，計(jì)算了吸附百分比，并在圖6中以虛線(xiàn)來(lái)表示。

整個(gè)處理連續(xù)運(yùn)行多個(gè)循環(huán)，這樣，co2的吸附在吸附單元中在33℃下進(jìn)行，而co2的解吸在旋風(fēng)分離器再生單元中在83℃下進(jìn)行。溫度驅(qū)動(dòng)再生和傳質(zhì)驅(qū)動(dòng)旋風(fēng)效果的組合效果加速了co2從吸附劑中的解吸。

在區(qū)域i中，繞過(guò)吸附和解吸步驟并進(jìn)入氣體分析器的氣體混合物直接顯示在氣體混合物中的co2濃度為大約5％(體積百分比)。應(yīng)當(dāng)注意，吸附和再生單元都已經(jīng)在沒(méi)有氣體混合物進(jìn)入單元時(shí)就已經(jīng)操作，以便建立穩(wěn)定狀態(tài)。一旦氣體混合物流導(dǎo)向吸附單元，就在圖5中表示測(cè)試的區(qū)域ii中存在co2濃度急劇下降，在氣體混合物濃度穩(wěn)定在3.8之前直接到達(dá)3.3％co2處的急劇拐點(diǎn)。在區(qū)域ii的末端，氣體混合物繞過(guò)吸附單元，氣體混合物濃度返回至區(qū)域i的水平，從而證實(shí)在區(qū)域ii中出現(xiàn)的吸附試驗(yàn)結(jié)果是由于co2吸附而產(chǎn)生，該co2吸附等于在吸附劑中的25％，即5.1-3.8÷5.1＝0.25。

實(shí)例2：

在圖6中示出了另一代表性的測(cè)試結(jié)果，該圖6表示了在供給氣體混合物中的co2濃度在吸附co2之前(區(qū)域i)為13.9％，而在區(qū)域ii中，55％的co2被吸附。該處理連續(xù)操作多個(gè)循環(huán)，這樣，co2的吸附在吸附單元中在35℃下進(jìn)行，而co2的解吸在旋風(fēng)分離器再生單元中在83℃下進(jìn)行。從區(qū)域iii(其中，氣體混合物繞過(guò)吸附)記錄的數(shù)據(jù)，將觀察到的co2濃度返回至16％的較高濃度，這與區(qū)域i的濃度相當(dāng)。已經(jīng)確定，該差異歸因于在這一系列測(cè)試過(guò)程中的不完全流動(dòng)控制。

盡管在上面以及在附圖和表示特殊實(shí)施例的實(shí)例中已經(jīng)詳細(xì)介紹了本發(fā)明，但是本領(lǐng)域普通技術(shù)人員由本說(shuō)明書(shū)將清楚其它變化和改變，本發(fā)明的范圍將由下面的權(quán)利要求來(lái)確定。