Способ разделения газов с использованием цеолитов типа ddr со стабилизированной адсорбционной активностью

Способ разделения газов с использованием цеолитов типа ddr со стабилизированной адсорбционной активностью

Иллюстрации

Показать все

Реферат

Область техники

Описаны цеолиты со стабилизированной адсорбционной активностью наряду со способами их получения.

Уровень техники

Было обнаружено, что структуры кристаллов цеолитов имеют широкий диапазон применений в способах переработки нефти и в других способах управления нефтяными потоками. Некоторые применения цеолитов являются каталитическими по своей природе, при этом другие применения направлены на способность цеолитов к селективному поглощению молекул в газовом потоке.

Одним примером селективной адсорбции молекул из потока газовой фазы является использование цеолита или другого микропористого материала для удаления загрязнений из потока, содержащего углеводороды или другие органические молекулы небольших газовых фаз. Например, многие потоки природного газа содержат по меньшей мере некоторое количество CO₂ помимо требуемого CH₄. К тому же, во многих способах переработки нефти вырабатывается выход газовой фазы, который включает множество соединений, таких как CH₄ и CO₂, которые являются газами при стандартных температуре и давлении. Выполнение разделения в потоке газовой фазы, содержащем CH₄, может обеспечить удаление примеси и/или разбавителя, такого как CO₂ или N₂, при регулируемых условиях. Такую примесь или разбавитель можно затем направить в другие процессы, такие как направление на другое применение, которое уменьшает утечку парниковых газов в окружающую среду.

В опубликованной патентной заявке US 2008/0282885 описаны системы и способы удаления CO₂, N₂ или H₂S с использованием способа короткоцикловой адсорбции. Одним типом адсорбента, который можно использовать в способе короткоцикловой адсорбции, является цеолит с 8-членным кольцом, такой как цеолит типа DDR.

Сущность изобретения

В одном аспекте предложен способ осуществления разделения газов. Способ включает приведение адсорбента или мембраны, содержащей кристаллы цеолита типа DDR, в контакт с входящим потоком газа, содержащим первый компонент и второй компонент, с образованием первого потока газа, обогащенного первым компонентом по отношению к входящему потоку газа, и улавливание второго потока газа, содержащего второй компонент, причем второй поток газа обогащен вторым компонентом по отношению к входящему потоку газа, где кристаллы цеолита типа DDR можно синтезировать, используя смесь для синтеза, имеющую отношение щелочного металла к диоксиду кремния по меньшей мере примерно 0,01, при этом адсорбент состоит из кристаллов с содержанием примеси щелочного металла, составляющим примерно 0,05 масс. % или менее.

В другом аспекте предложен способ получения адсорбента или мембраны на основе кристаллов типа DDR. Способ включает формирование кристаллов типа DDR из смеси для синтеза, содержащей катион щелочного металла, оксид алюминия, оксид кремния, органический катион соли метилтропиния и воду, отделение кристаллов типа DDR от смеси для синтеза, обжиг кристаллов типа DDR, подвергание кристаллов типа DDR воздействию кислого раствора при эффективных для ионного обмена условиях для уменьшения содержания примесей щелочного металла в кристаллах типа DDR, обжиг подвергнутых ионному обмену кристаллов типа DDR, имеющих пониженное содержание примесей щелочного металла, и формирование адсорбента или мембраны на основе подвергнутых ионному обмену кристаллов типа DDR.

Краткое описание чертежей

На Фиг. 1 показаны спектры рентгеновской дифракции кристаллов ZSM-58.

На Фиг. 2а, 2b и 2с показаны микрофотографии СЭМ кристаллов ZSM-58.

На Фиг. 3 показан пример технологического маршрута для осуществления способа удаления примеси щелочного металла.

На Фиг. 4 показаны изотермы адсорбции CO₂ для кристаллов ZSM-58.

На Фиг. 5 показана теплота адсорбции для кристаллов ZSM-58, которые не были обработаны для удаления щелочных примесей.

Подробное описание воплощений

Обзор

В различных аспектах предложены способы формирования кристаллов цеолитов, подходящих для газофазовых разделений с характеристиками переноса, которые являются относительно стабильными с течением времени. В установке нефтеперерабатывающего завода, установке газоперерабатывающего завода или другой промышленной установке требуемым признаком производственного процесса может быть наличие способа, который является относительно стабильным с течением времени. Например, стабильность для способа короткоцикловой адсорбции означает, что способ короткоцикловой адсорбции можно повторять с течением времени, при этом получая сравнимые результаты в течение каждого цикла и/или получая результаты, которые изменяются предсказуемым образом между циклами. Такой способ может действовать стабильным образом, потенциально обеспечивая как предсказуемость в течение отдельного технологического цикла, так и предсказуемость того, как изменять способ с течением времени для поддержания требуемого результата. В различных воплощениях описанные в данном документе способы можно применять к цеолитам, используемым в способах мембранного разделения, а также в способах разделения в короткоцикловой адсорбции.

Цеолитовые материалы и/или соответствующие способы синтеза или обработки, описанные в данном документе, могут обеспечить улучшенную стабильность на ранних стадиях технологического процесса для некоторых типов газофазовых разделений.

Одна группа цеолитовых материалов, подходящих для применения в газофазовых разделениях, включает цеолиты типа DDR. Цеолиты типа DDR включают кристаллические материалы, которые представляют собой изотипы структуры DDR, такие как цеолиты ZSM-58, Sigma-1 и/или SSZ-28. Во время синтеза цеолитов типа DDR катион щелочного металла (такого как натрий и/или калий) часто может быть включен в состав для синтеза в качестве его части. Часть катионов щелочного металла можно внедрить в каркас цеолита для обеспечения баланса заряда. Однако, такой синтез обычно также может привести к внедрению атомов/катионов щелочного металла вне каркаса внутрь цеолита. Эти дополнительные атомы/катионы щелочного металла вне каркаса можно назвать примесями щелочного металла в цеолите. Такие атомы/катионы щелочного металла вне каркаса также можно обнаружить в других цеолитовых адсорбентах, таких как MFI, СНА и т.п.

Вне связи с какой-либо конкретной теорией полагают, что примеси щелочного металла в цеолитах типа DDR или других цеолитах оказывают значительное воздействие на изотерму адсорбции. Величина воздействия на изотерму адсорбции может зависеть от молекулярных соединений. Например, для катионов щелочного металла вне каркаса DDR воздействие на изотерму адсорбции CO₂ может быть больше, чем воздействие на изотерму адсорбции CH₄. Однако, потенциальные центры адсорбции, связанные с примесями щелочного металла могут быть отравлены или пассивированны другим способом. В результате, примеси щелочного металла могут привести к большим изменчивостям процесса на ранних стадиях функционирования реактора способа газофазной адсорбции. Например, когда цеолитовый адсорбент типа DDR является относительно свежим, атомные или катионные центры щелочного металла вне каркаса обычно не являются пассивированными или не являются пассивированными в большой степени. Эти центры, поэтому, могут быть активными для адсорбции, что приводит к явно большей адсорбционной емкости и/или активности адсорбента. Однако, эту явно дополнительную емкость можно быстро утратить в результате отравления центров примеси щелочного металла такими загрязнителями, как H₂S. В результате, адсорбционная емкость цеолитового адсорбента может быстро упасть после начала способа адсорбции. Для цеолитовых структур, содержащих примерно 0,25 масс. % примесей щелочного металла, изменение адсорбционной емкости между адсорбцией для свежего цеолита и адсорбцией в установившемся режиме может составлять вплоть до примерно 30%. Это может представлять нежелательный уровень изменения для обработки природного газа или в способах переработки нефти.

Чтобы уменьшить эту нежелательную изменчивость процесса, в данном документе предложены способы синтеза для синтезирования цеолитов типа DDR, которые могут иметь пониженное содержание примесей щелочных металлов. Способы синтеза для уменьшения содержания примесей атомов или катионов щелочного металла вне каркаса, по-видимому, слабо воздействуют или не воздействуют вообще на структуру/морфологию кристалла DDR. В качестве альтернативы также предложены способы пассивации адсорбента, имеющего кристаллическую структуру DDR, перед его применением.

Способы разделения

Это изобретение можно применить к мембранам, а также к способам короткоцикловой адсорбции. Мембраны могут быть сформированы из адсорбирующих материалов. Например, в способах гидротермального синтеза можно получить цеолитовые мембраны. Цеолиты также можно внедрить в мембраны со смешанной матрицей. В мембранном способе разделения поток подаваемой смеси (обычно в газовой фазе) может проходить над одной стороной мембраны. Мембрана может селективно пропускать некоторые соединения к противоположной стороне мембраны, которая может либо находиться при пониженном давлении, либо может подвергаться продувке. Соединения, преимущественно проходящие через мембрану, называют тяжелым компонентом и соединения, преимущественно задерживаемые на стороне подачи, называют легким компонентом (независимо от их относительных молекулярных масс). Скорость переноса молекул через мембрану можно определить с помощью кинетики и равновесной адсорбции. Уменьшение изменений свойств равновесной адсорбции путем устранения атомов/катионов щелочного металла вне каркаса может уменьшить изменения рабочей характеристики мембраны. Изменения рабочих характеристик могут включать, но не обязательно ограничиваются перечисленным, поток через мембрану и извлечение легкого компонента. Зависящие от времени изменения в этих характеристиках вообще могут быть нежелательными в способе мембранного разделения.

Все способы короткоцикловой адсорбции содержат стадию адсорбции, на которой подаваемая смесь (обычно в газовой фазе) протекает над адсорбентом, который преимущественно поглощает более легко адсорбируемый компонент по сравнению с менее легко адсорбируемым компонентом. Компонент может более легко адсорбироваться ввиду кинетических или равновесных свойств адсорбента. Адсорбент обычно может быть заключен в контактор, который является частью установки короткоцикловой адсорбции. Контактор обычно может содержать сконструированный структурированный слой адсорбента или слой адсорбента, состоящий из частиц. Данный слой может содержать адсорбент и другие материалы, такие как другие адсорбенты, мезопористые наполняющие материалы и/или инертные материалы, используемые для уменьшения отклонений температуры, вызванных теплотой адсорбции и десорбции. Другие компоненты в установке короткоцикловой адсорбции могут включать, но не обязательно ограничиваются перечисленным, клапаны, трубы, баки и другие контакторы.

Способ регенерации адсорбента определяет тип способа короткоцикловой адсорбции. Способы адсорбции при переменном давлении (АПД) основаны на том факте, что газы под давлением стремятся адсорбироваться внутри пористой структуры микропористых адсорбирующих материалов. Обычно чем выше давление, тем больше количество целевого газового компонента, которое будет адсорбированно. Когда давление понижают, адсорбированный целевой компонент обычно высвобождается или десорбируется. Способы АПД можно использовать для разделения газов из газовой смеси, так как различные газы стремятся заполнить микропористый или свободный объем адсорбента в различной степени, обусловленной либо равновесными, либо кинетическими свойствами адсорбента. Способы адсорбции при переменной температуре (АПТ) также основаны на том факте, что газы под давлением стремятся адсорбироваться внутри пористой структуры микропористых адсорбирующих материалов. Когда температура адсорбента повышается, адсорбированный газ обычно высвобождается или десорбируется. Путем циклического колебания температуры адсорбирующих слоев способы АПТ можно использовать для разделения газов в смеси при использовании адсорбента, селективного в отношении одного или более компонентов газовой смеси. В способах адсорбции с перепадом парциального давления (АППД) с вытеснением продувочным потоком адсорбент регенерируют продувочным потоком. В способах короткоцикловой адсорбции с частым циклом (ЧЦ) стадию адсорбции способа короткоцикловой адсорбции завершают за короткое время. Для кинетически селективных адсорбентов может быть предпочтительно использовать способ короткоцикловой адсорбции с частым циклом. Если продолжительность цикла становится слишком длительной, можно утратить кинетическую селективность. Эти технологии работы короткоцикловой адсорбции можно использовать по-отдельности или в сочетании. Примерами способов, которые можно использовать в сочетании, являются АПДЧЦ (адсорбция при переменном давлении с частым циклом), АПТЧЦ (адсорбция при переменной температуре с частым циклом), АПДТ (адсорбция при переменном давлении и температуре) и АППДТ (адсорбция с перепадом парциального давления и температуры). Уменьшение изменений свойств равновесной адсорбции путем устранения атомов или катионов щелочного металла вне каркаса может уменьшить изменения рабочих характеристик способов короткоцикловой адсорбции. Изменения рабочих характеристик могут включать извлечение легкого компонента и состав потоков, обогащенных легким и тяжелым компонентами. Зависящие от времени изменения этих характеристик могут быть нежелательными в способах разделения короткоцикловой адсорбции.

Способы короткоцикловой адсорбции можно применять для удаления множества целевых газов из самых различных газовых смесей. Используемый в данном документе «легкий компонент» считают соединениями или молекулярным(и) компонентом(ами), которые преимущественно не поглощаются адсорбентом на стадии адсорбции данного способа. Наоборот, используемый в данном документе «тяжелый компонент» считают соединениями или молекулярным(и) компонентом(ами), которые преимущественно поглощаются адсорбентом на стадии адсорбции данного способа. Эти разграничения в данном документе делают независимо от относительных масс двух компонентов - например, легкий компонент может иметь большую молекулярную массу, чем тяжелый компонент.

Способы очистки адсорбента, описанные в данном документе, могут обеспечить улучшение устойчивости к загрязнению адсорбента. Улучшенная устойчивость к загрязнению может обеспечить соответствующее улучшение устойчивости работы равновесно и кинетически регулируемых способов короткоцикловой адсорбции и/или способов мембранного разделения. В кинетически регулируемых способах короткоцикловой адсорбции по меньшей мере часть (и предпочтительно большую часть) селективности можно придать, например, ввиду того, что коэффициент диффузионного переноса в микропорах и свободный объем адсорбента для легких соединений меньше, чем для более тяжелых соединений. Также, в кинетически регулируемых способах короткоцикловой адсорбции с микропористыми адсорбентами, такими как цеолитовые адсорбенты с 8-членными кольцами, диффузионная селективность может вызываться различиями диффузии в микропорах адсорбента и/или селективным диффузионным сопротивлением поверхности в кристаллах или частицах, которые составляют адсорбент. Кинетически регулируемые способы короткоцикловой адсорбции обычно противоположны равновесно регулируемым способам короткоцикловой адсорбции, в которых селективность регулируют свойства равновесной адсорбции адсорбента. Улучшение кинетической селективности может быть таким, что полное извлечение легкого компонента, достигаемое в способе короткоцикловой адсорбции, может составлять более примерно 80 мольн. %, например, более примерно 85 мольн. %, более примерно 90 мольн. % или более примерно 95 мольн. % от содержания легкого компонента, введенного в процесс. Извлечение легкого компонента определяют как средний по времени молярный расход легкого компонента в потоке продукта, деленный на средний по времени молярный расход легкого компонента в подаваемом потоке. Аналогично, извлечение тяжелого компонента определяют как средний по времени молярный расход тяжелого компонента в потоке продукта, деленный на средний по времени молярный расход тяжелого компонента в подаваемом потоке.

Можно удалять два или более загрязнений одновременно, однако, для удобства удаляемый путем селективной адсорбции компонент(ы) обычно в данном документе указывают в единственном числе и как загрязнитель или тяжелый компонент.

Способы очистки адсорбента, описанные в данном документе, могут обеспечить улучшение, которое может стабилизировать функционирование процесса короткоцикловой адсорбции. В различных воплощениях способы очистки адсорбента могут позволить адсорбенту стать более устойчивым к загрязнению.

Адсорбирующие контакторы и слои

Используемый в данном документе термин «адсорбирующий контактор» включает как структурированные, так и неструктурированные адсорбирующие контакторы. Адсорбирующий контактор является частью установки короткоцикловой адсорбции, в которой подаваемый газ контактирует с адсорбентом. В способе АПТ контактор может содержать средства для нагрева и охлаждения адсорбента, такие как нагревающие и охлаждающие каналы. Каждый контактор может содержать один или более адсорбирующих слоев. Слои являются секциями или частями контактора, которые содержат адсорбент. Каждый слой может содержать один адсорбент или смесь различных адсорбентов. Все слои в контакторе не должны содержать одинаковый адсорбент.

В некоторых воплощениях слой в контакторе содержит насадку, которая содержит по меньшей мере твердые инертные частицы и гранулы, содержащие адсорбент. Инертные частицы можно внедрить в слой, чтобы способствовать управлению теплотой адсорбции и десорбции. Содержащие адсорбент гранулы обычно могут содержать частицы адсорбента, поры и связующее. Гранулы часто можно образовать в способах сушки распылением или экструзии. Инертные частицы обычно могут иметь размеры от примерно 100 мкм до примерно 10 см, однако можно использовать любой подходящий размер частиц, в зависимости от требуемой конструкции. Гранулы, содержащие адсорбент, обычно могут иметь размеры от примерно 250 мкм до примерно 1 см, однако снова можно использовать любой подходящий размер частиц, в зависимости от требуемой конструкции. Массоперенос можно улучшить путем использования более мелких гранул, однако, перепад давления в слое может возрастать с уменьшением размера.

Одним примером разработанного адсорбирующего контактора является контактор с параллельными каналами, который может подходить для применения во множестве способов короткоцикловой адсорбции. Структура слоя адсорбирующего контактора, составленного из контакторов с параллельными каналами, может включать закрепленные поверхности, на которых поддерживают адсорбент или другой активный материал. Контакторы с параллельными каналами могут предоставить значительные преимущества по сравнению с традиционными способами газового разделения, такими как сосуды, содержащие адсорбирующие слои, или экструдированные адсорбирующие частицы. «Контакторы с параллельными каналами» в данном документе определяют как подгруппу адсорбирующих контакторов, включающую структурированные (сконструированные) адсорбенты в слоях с по существу параллельными проточными каналами. Эти проточные каналы можно образовать с помощью множества средств. Помимо адсорбирующего материала структура слоя может содержать один или более материалов, таких как, но не ограничиваясь перечисленным, материалы носителя, теплопоглощающие материалы и уменьшающие пустоты компоненты.

В установке короткоцикловой адсорбции с контактором с параллельными каналами стенки каналов в слоях могут содержать адсорбент, например, цеолитовые кристаллы однородного размера с 8-членными кольцами. Слои в контакторе могут при необходимости содержать теплоемкий (теплопередающий) материал для способствования регулированию нагревания и охлаждения адсорбента контактора в течение как стадий адсорбции, так и стадий десорбции процесса адсорбции с перепадом давления. Нагрев в течение адсорбции может быть вызван теплотой адсорбции молекул, поступающих в адсорбент. Возможный теплоемкий материал также может способствовать охлаждению контактора в течение стадии десорбции. Теплоемкий материал можно внедрить в проточные каналы слоев в контакторе, внедрить в сам адсорбент и/или внедрить в виде части стенки проточных каналов. Когда он внедрен в адсорбент, он может быть твердым материалом, распределенным по всему адсорбирующему слою и/или его можно включить в виде слоя в адсорбенте. Когда его внедряют в виде части стенки проточного канала, адсорбент можно осадить или образовать на стенке. Любой подходящий материал можно использовать в качестве теплоемкого материала при практической реализации настоящего изобретения. Неограничивающие примеры таких материалов включают металлы, керамику и полимеры. Неограничивающие примеры предпочтительных металлов включают стальные, медные и алюминиевые сплавы. Неограничивающие примеры предпочтительной керамики включают диоксид кремния, оксид алюминия и диоксид циркония. Примером предпочтительного полимера, который можно использовать при практической реализации настоящего изобретения, является полиимид.

В зависимости от степени, до которой необходимо ограничить повышение температуры в течение стадии адсорбции, количество используемого теплоемкого материала может составлять от примерно 0,1 до примерно 25 масс микропористого адсорбента контактора, например, от примерно 0,25 до 5 масс, от примерно 0,25 до 2 масс или от примерно 0,25 до 1 массы. В предпочтительном воплощении в контактор может быть введено эффективное количество теплоемкого материала. Эффективное количество теплоемкого материала может быть количеством, достаточным для удержания роста температуры адсорбента в течение стадии адсорбции до менее примерно 100°C, например, менее примерно 50°C или менее примерно 10°C.

Каналы в контакторе, также иногда называемые «проточными каналами» или «каналами газового потока», являются путями в контакторе, через которые протекает газ. Вообще, проточные каналы могут обеспечить относительно низкое гидродинамическое сопротивление наряду с относительно высокой площадью поверхности. Длина проточного канала преимущественно может быть достаточной для обеспечения зоны массопереноса, при этом данная длина может по меньшей мере зависеть от скорости текучей среды и от отношения площади поверхности к объему канала. Каналы могут быть выполнены с возможностью минимизации перепада давления по длине каналов. Во многих воплощениях часть потока текучей среды, поступающая в канал на первом конце контактора, не находится в соединении с любой другой частью текучей среды, поступающей в другой канал на первом конце, до тех пор, пока части не объединятся снова после выхода на втором конце. В контакторах с параллельными каналами однородность каналов в слоях может быть важной для обеспечения того, что (по существу все) каналы эффективно используются, и того, что зона массопереноса по существу заполнена равным образом. Если существует избыточная несогласованность каналов, могут ухудшаться как производительность, так и чистота газа. Если один проточный канал больше, чем соседний проточный канал, может происходить преждевременный прорыв продукта, который может привести к уменьшению чистоты получаемого газа, в некоторых случаях к неприемлемым уровням чистоты. Более того, для устройств, действующих при частотах цикла более примерно 50 циклов в минуту (ц/мин), может потребоваться большая однородность проточных каналов и меньший перепад давления, чем для устройств, действующих при более низких частотах цикла. Далее, если возникает слишком большой перепад давления в слое, тогда нельзя легко достичь более высоких частот цикла, таких как на порядок больше 3 ц/мин.

Размеры и геометрические формы слоев в контакторах с параллельными каналами могут быть любыми, подходящими для применения в оборудовании процесса короткоцикловой адсорбции. Неограничивающие примеры геометрических форм включают монолиты с различными формами, имеющие множество по существу параллельных каналов, проходящих от одного конца монолита до другого, множество трубчатых элементов, уложенные в стопку слои адсорбирующих листов с промежутками и без промежутков между каждым листом, многослойные спиральные рулоны, пачки полых волокон, а также пачки по существу параллельных твердых волокон. Адсорбент можно нанести на эти геометрические формы или, во многих случаях, данные формы можно образовать непосредственно из адсорбирующего материала с подходящим связующим. Примером геометрической формы, образованной непосредственно из адсорбента/связующего, может быть экструзия композиционного материала цеолит/полимер в монолит. Другим примером геометрической формы, образованной непосредственно из адсорбента, могут быть экструдированные или скрученные полые волокна, изготовленные из композиционного материала цеолит/полимер. Примером геометрической формы, покрытой адсорбентом, может быть тонкий плоский стальной лист, покрытый микропористой адсорбирующей пленкой с небольшим содержанием мезопор, такой как цеолитовая пленка. Непосредственно образованный или покрытый адсорбентом слой может сам быть структурирован на множество слоев, состоящих либо из одинаковых, либо из различных адсорбирующих материалов. Структуры многослойных адсорбирующих листов описаны, например, в опубликованной патентной заявке US 2006/0169142, которая включена в данный документ путем ссылки.

Размеры проточных каналов можно рассчитать, учитывая перепад давления вдоль проточного канала. Для проточных каналов может быть предпочтительным иметь ширину канала от примерно 5 мкм до примерно 1 мм, например, от примерно 50 мкм до примерно 250 мкм. Используемую в данном документе «ширину канала» проточного канала определяют как длину линии поперек минимального размера проточного канала перпендикулярно пути потока. Например, если проточный канал является круглым в поперечном сечении, тогда ширина канала является внутренним диаметром круга. Однако, если проточный канал является прямоугольным в поперечном сечении, ширина канала является длиной перпендикулярной линии, связывающей две наиболее длинные стороны прямоугольника (то есть, длиной наименьшей стороны прямоугольника). Также необходимо отметить, что проточные каналы могут иметь любую конфигурацию поперечного сечения. В некоторых предпочтительных воплощениях конфигурация поперечного сечения проточного канала может быть круглой, прямоугольной, квадратной или шестиугольной. Однако, можно использовать любую геометрическую конфигурацию поперечного сечения, такую как, но не ограничиваясь перечисленным, эллипсы, овалы, треугольники, различные многоугольные формы или даже нерегулярные формы. В других предпочтительных воплощениях отношение объема адсорбента к объему проточного канала в адсорбирующем контакторе может составлять от примерно 0,5:1 до примерно 100:1, например, от примерно 1:1 до примерно 50:1.

В некоторых применениях проточные каналы можно образовать путем наслаивания друг на друга листов адсорбента. Обычно, в применениях слоистого адсорбента длина проточного канала может составлять от примерно 0,5 сантиметра до примерно 10 метров, например, от примерно 10 см до примерно 1 метра, и ширина канала от примерно 50 мкм до примерно 450 мкм. Каналы могут содержать разделитель или сетку, которая действует как разделитель. Для слоистых адсорбентов можно использовать разделители, которые являются структурами или материалами, которые определяют разделение между слоями адсорбента. Неограничивающие примеры типа разделителей, которые можно использовать в настоящем изобретении, включают те, которые состоят из таких материалов с точными размерами, как пластиковая, металлическая, стеклянная или углеродная сетка; пластиковая пленка или металлическая фольга; пластиковые, металлические, стеклянные, керамические или углеродные волокна и нити; керамические колонки; пластиковые, стеклянные, керамические или металлические сферы или диски; или их сочетания или соединения. Слоистые адсорбенты использовали в устройствах, действующих при частотах циклов АПД, составляющих вплоть до по меньшей мере примерно 150 ц/мин. Длина проточного канала может коррелировать со скоростью цикла. При более низких скоростях цикла, таких как от примерно 20 ц/мин до примерно 40 ц/мин, длина проточного канала может составлять до одного метра или более, даже вплоть до примерно 10 метров. Для скоростей цикла больше примерно 40 ц/мин длина проточного канала обычно может уменьшаться и может изменяться, например, от примерно 10 см до примерно 1 метра. Более длинные проточные каналы можно использовать для более медленных циклов АПД. Способы АПТЧЦ более медленные, чем способы АПДЧЦ и, в связи с этим, более длинные проточные каналы также можно использовать со способами АПТ.

Газовое сырье

Способы разделения, описанные в данном документе, можно использовать для выполнения разделений многих видов газофазного сырья. Один пример газофазного сырья включает сырьевой природный газ или поток, такой как сырьевой природный газ, полученный на производственном участке по добыче нефти, или сырьевой природный газ или поток из газового месторождения или пласта сланцевого газа. Сырьевой природный газ обычно содержит метан, возможно некоторые высшие углеводороды, такие как C₂-C₄ углеводороды, CO₂ и возможно один или более дополнительных компонентов, таких как N₂, H₂S, H₂O и меркаптаны. Сырьевой природный газ также может содержать одно или более веществ, введенных как часть способа извлечения природного газа на производственном участке. Неограничивающие примеры таких веществ могут включать гликоли, такие как этиленгликоль, амины, такие как метилдиэтиламин, диметилдисульфид и их сочетания.

Улучшения в извлечении легкого компонента, вызванные селективностью адсорбентов или мембран, могут быть ценными для способов, используемых для удаления примесей из потоков природного газа, особенно потоков природного газа высокого давления. Может потребоваться излечение примесей, также называемых «тяжелым компонентом(ами)», и богатого метаном продукта, также называемого «легким компонентом», при таком высоком давлении, как применяемое при эксплуатации при переработке природного газа. В зависимости от воплощения способ короткоцикловой адсорбции с использованием адсорбента с улучшенной селективностью можно использовать для получения извлечения метана, составляющего более примерно 80 мольн. %, например, более примерно 85 мольн. %, более примерно 90 мольн. % или более примерно 95 мольн. %, даже когда природный газ подают при относительно высоком давлении на входе, таком как более примерно 350 кПа изб. (примерно 50 фунтов на кв. дюйм изб.), например, по меньшей мере примерно 1,0 МПа изб. (примерно150 фунтов на кв. дюйм изб.), по меньшей мере примерно 3,1 МПа изб. (примерно 450 фунтов на кв. дюйм изб.), по меньшей мере примерно 4,1 МПа изб. (примерно 600 фунтов на кв. дюйм изб.) или по меньшей мере примерно 8,3 МПа изб. (примерно 1200 фунтов на кв. дюйм изб.). Состав потоков природного газа непосредственно из подземного месторождения (неочищенного природного газа) может различаться от месторождения к месторождению. Чтобы получить газ, который можно закачать в трубопровод для продажи на бытовом и промышленном топливных рынках, загрязнители, такие как N₂, Hg, меркаптаны и кислые газы CO₂ и H₂S, необходимо удалить до приемлемых уровней. Данные уровни и типы примесей различаются от газового месторождения к газовому месторождению и, в некоторых случаях, могут включать большую часть молекул в добытом газе. Например, не является необычным для некоторых месторождений природного газа содержать от примерно 0 до примерно 90 мольн. % CO₂, конкретнее от примерно 10 до примерно 70 мольн. % CO₂.

Другие примеры подходящего газофазного сырья могут включать топочный газ и/или топливный газ из процесса переработки нефти. Во множестве процессов могут вырабатываться топочный газ и/или топливный газ, включающие CO₂ и легкие углеводороды, такие как CH₄. В зависимости от источника топочного/топливного газа, он/они также могут содержать H₂S, H₂, N₂, H₂O и/или другие компоненты, которые находятся в газовой фазе при стандартных условиях. Такие компоненты, как CO₂ и N₂, могут действовать как разбавители, уменьшая объем таких потоков топочного газа и/или топливного газа.

Чтобы улучшить ценность потока газовой фазы, можно выполнить разделение для выработки по меньшей мере двух потоков продукта. Первый поток продукта, соответствующий легкому компоненту, может быть обогащен требуемым продуктом, таким как CH₄ и/или другими углеводородами, такими как вообще другие углеводороды, другие углеводороды, содержащие 4 или менее атомов углерода, или другие углеводороды, содержащие 3 или менее атомов углерода. Предпочтительно другой углеводород может включать по меньшей мере одну насыщенную углерод-углеродную связь. Второй поток продукта, соответствующий тяжелому компоненту, может быть обогащен одним или более устраняемыми компонентами, таким как CO₂ и/или N₂.

Одним способом выполнения разделения может быть подвергание входящего потока воздействию адсорбирующего материала, который может преимущественно или селективно поглощать один или более компонентов газофазного потока. Различия в адсорбции могут быть обусловлены либо равновесием, либо кинетикой. Различия в равновесии могут отражаться в изотермах конкурирующей адсорбции и/или их можно оценить из изотерм одного компонента. Различия в кинетике могут отражаться в коэффициентах диффузии. Способы, в которых существенная часть селективности происходит из различий в кинетике, обычно называют кинетическими разделениями. Для кинетических разделений продолжительность стадии адсорбции предпочтительно может быть достаточно короткой для того, чтобы адсорбент не пришел в равновесие с потоком сырья. Например, катионные цеолиты с относительно большими порами (средний размер пор >5 А) могут обладать равновесной селективностью, позволяющей CO₂ адсорбироваться в присутствии CH₄, при этом катионные цеолиты с относительно небольшими порами (средний размер пор <3,8 А) могут обладать кинетической селективностью, позволяющей CO₂ адсорбироваться в присутствии CH₄. Контактор, изготовленный с использованием цеолитового адсорбента, можно использовать для селективного поглощения CO₂ из потока входящего газа, содержащего CO₂ и CH₄, что приводит к выходящему потоку, обогащенному CH₄. Для кинетического адсорбента продолжительность стадии адсорбции можно установить с помощью размера цеолитового кристалла и коэффициента диффузии CH₄. Регенерацию такого кинетического адсорбента можно выполнить с помощью колебания давления, колебания температуры, продувки и/или вытеснения. Использование кинетического адсорбента, который слабо поглощает CO₂ (то есть, с относительно плоской изотермой адсорбции), может облегчить регенерацию. Часто такие типы слабых изотерм могут иметь цеолиты с высоким содержанием кремния (отношение Si/Al>~100). В способах регенерации обычно можно вырабатывать поток, обогащенный CO₂ и обедненный углеводородами, такими как CH₄.

Одной причиной при выборе адсорбирующего цеолита (или другого адсорбирующего материала) может быть селективность для требуемого разделения. Если не указано другое, термин «селективность короткоцикловой адсорбции», используемый в данном документе, основан на бинарном (парном) сравнении мольной концентрации компонентов в п