CN107921355A - 快速循环变吸附方法相关的装置和*** - Google Patents

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Abstract

提供了进行变吸附方法的装置和***。这种变吸附方法可以包括让料流穿过吸附剂床单元以从所述料流除去污染物，例如水。作为方法的一部分，用在小于450℉(232.2℃)的温度下提供的吹扫料流吹扫吸附剂床单元。这脱污染料流可以与液化天然气(LNG)设备或其它后续要求脱污染料流的方法一起使用。变吸附方法可以包括组合TSA和PSA方法，其用于从进料料流除去污染物。

Description

快速循环变吸附方法相关的装置和***
相关申请的交叉引用
本申请要求于2015年9月2日提交的标题为“变吸附方法相关的装置和***(Apparatus and System for Swing Adsorption Processes Related Thereto)”的美国临时申请号62/213,262的利益，该文献的全部通过参考引入本文。
此外，应该指出本申请涉及于2015年9月2日提交的标题为“变吸附方法相关的装置和***(Apparatus and System for Swing Adsorption Processes RelatedThereto)”的美国临时申请号62/213,267；于2015年9月2日提交的标题为“组合变温和变压吸附方法相关的装置和***(Apparatus and System for Combined Temperature andPressure Swing Adsorption Processes Related Thereto)”的美国临时申请号62/213,270和于2015年9月2日提交的标题为“变吸附方法相关的装置和***(Apparatus andSystem for Swing Adsorption Processes Related Thereto)”的美国临时申请号62/213,273。
技术领域
本发明技术涉及与增强的变吸附方法有关的***。特别地，该***涉及使用快速循环的吸附剂床从进料料流除去污染物的变吸附方法，例如天然气的脱水。这种***可以用于将进料料流脱水以满足LNG设备的液化天然气(LNG)规格和/或其它设备的规格。
背景技术
气体分离可用于许多工业并且可典型地通过让气体混合物在优先吸附一种或多种气体组分，而不吸附一种或多种其它气体组分的吸附剂材料上流动来进行。所述非吸附组分作为分离的产物回收。
一种特定类型的气体分离技术是变吸附，例如变温吸附(TSA)、变压吸附(PSA)、变分压吸附(PPSA)、快速循环变压吸附(RCPSA)、快速循环变分压吸附(RCPPSA)，并不限于，而且还有，前述方法的组合，例如变压和变温吸附。作为实例，PSA方法依赖于下列事实：当气体在压力下时，气体更容易吸附在吸附剂材料的孔隙结构或自由体积内。即，气压越高，吸附的容易吸附气体的量越大。当压力降低时，所吸附的组分从吸附剂材料释放，或解吸。
变吸附方法(例如，PSA和/或TSA)可用来分离气体混合物的气体，因为不同的气体往往填充吸附剂材料的微孔至不同程度。例如，如果气体混合物例如天然气在压力下穿过包含对二氧化碳比对甲烷更具选择性的吸附剂材料的容器时，二氧化碳的至少一部分被吸附剂材料选择性吸附，并且离开容器的气体富含甲烷。当吸附剂材料到达其吸附二氧化碳的容量限度时，使它通过降低压力，从而释放所吸附的二氧化碳而再生。然后典型地将吸附剂材料吹扫并再加压。然后，所述吸附剂材料准备用于另一个吸附循环。
变吸附方法典型地包括一个或多个吸附剂床单元，它们包括布置在外壳内的吸附剂床，所述外壳配备有维持流体处于所述单元内的吸附循环中不同步骤的各种压力。这些吸附剂床单元在床结构中使用不同的填充材料。例如，吸附剂床单元使用方格砖、卵石床或其它可获得的填料。作为增强，一些吸附剂床单元可以在床结构内使用工程填料。所述工程填料可以包括按特定构造提供的材料，例如蜂巢、陶瓷型体等。
另外，可以用管道和阀门将各种吸附剂床单元耦合在一起以操纵流体的流动。为这些吸附剂床单元编排包括用***中的其它吸附剂床单元协调每个吸附剂床单元的循环。完全的循环可以从数秒到数分钟，因为它将多个气态料流转移穿过一个或多个吸附剂床单元。
令人遗憾地，天然气料流脱水的常规方法典型地使用大型分子筛吸附剂床进行，其中变热循环需数小时。这种常规方法要求大型和昂贵的高压吸附剂床，大存量的吸附剂材料，并涉及大的占地空间和重量、资本投资和燃气炉的燃料使用。实际上，在这些方法中，吸附前沿经过吸附剂床长度的大部分进展，并且使用加热到超过500℉(华氏温度)(260℃(摄氏温度)的干燥气体进行解吸，该干燥气体用燃烧炉加热。常规TSA分子筛方法使用高温吹扫气(例如，等于或甚至大于500℉(260℃))在每个循环期间使吸附剂床脱水。在常规TSA分子筛方法中使用高温吹扫气使所要求的再生气体的体积最小化。这种方法由经济和消耗考虑驱动，因为处理再生气体体积(例如，经由再循环压缩或一些其它方法)比简单地将再生气体加热到更高的温度更加昂贵。因此，再生气体温度限于大约500℉(260℃)以避免分子筛降解。然而，即使限制再生气体到500℉(260℃)，高温吹扫气仍导致问题，例如吸附剂颗粒的水热降解和吸附剂床内的焦炭形成，这导致失活和相关停产。此外，天然气设备中燃烧炉的使用是涉及管理其它安全措施的安全关注。
另外，对于浮法操作，常规TSA分子筛方法的尺寸和重量对于稳定性和浮力考虑是成问题的。特别地，常规***的过度重量和占地空间增加浮法设施的复杂性并增加设施的尺寸。此外，浮法设施可能位置遥远并可能难以进入和再补给设备和燃料。此外，额外的尺寸和复杂性增加资本投资成本连同浮法设施的操作成本。另外，正如上面所指出的那样，燃烧炉的使用由于可利用的有限空间而进一步复杂化。
因此，工业中仍需要为除去污染物的料流加工(例如，天然气料流在液化成LNG进料料流之前的加工)提供增强的装置、方法和***。本发明技术为用于天然气脱水(在液化之前)的设施提供成本、尺寸和重量方面的减小。另外，仍需要不使用加热到超过500℉(260℃)的吹扫气和不使用火焰加热器的脱水方法。
发明内容
在一个或多个实施方案中，本发明技术包括从气态进料料流除去污染物的方法。该方法包括：a)进行一个或多个吸附步骤；其中所述一个或多个吸附步骤中的每一个包括让气态进料料流在进料压力和进料温度下穿过吸附剂床单元以从所述气态进料料流分离一种或多种污染物而形成产物料流；b)进行一个或多个减压步骤，其中用每个相继的减压步骤将所述吸附剂床单元的压力减少预定量；c)进行一个或多个吹扫步骤，其中所述一个或多个吹扫步骤中的每一个包括让吹扫料流进入所述吸附剂床单元，其中所述吹扫料流与所述进料料流的方向逆向流动，所述吹扫料流按所述进料温度以上至少50℉(27.8℃)(或进料温度以上至少100℉(55.6℃))且小于450℉(232.2℃)的温度提供且所述吹扫料流流量等于或小于所述进料料流流量的20摩尔％(％)(例如，吹扫料流可以含有等于或小于20摩尔％的进料料流中的烃，例如甲烷，或优选等于或小于10摩尔％的进料料流中的烃，例如甲烷)；d)进行一个或多个再加压步骤，其中用每个相继的再加压步骤使所述吸附剂床单元内的压力用每个再加压步骤增加预定量；和e)重复步骤a)至d)用于至少一个额外的循环，其中循环持续时间是大于1秒且少于600秒的时期，优选大于2秒且少于300秒的时期或优选大于1秒且小于90秒的时期。吹扫料流可以在200℉(93.3℃)-450℉(232.2℃)或250℉(121.1℃)-380(193.3℃)的范围中提供。
在另一个实施方案中，描述了从气态进料料流除去污染物的***。该***包括：吸附剂床单元、液化天然气工艺单元和一个或多个吹扫单元。所述吸附剂床单元配置用来从气态进料料流分离污染物和输出产物料流，其中所述气态进料料流在进料温度下提供。所述液化天然气工艺单元配置用来接收所述产物料流并将所述产物料流分离成最终产物料流和溢料燃料料流。一个或多个吹扫单元配置用来为吸附剂床单元提供吹扫料流，其中所述吹扫料流由产物料流的一部分、溢料燃料料流、沸出气体料流和它们的任何组合之一提供；和其中在所述进料温度以上至少50℉(27.8℃)且小于450℉(232.2℃)的温度下提供吹扫料流，并且所述吹扫料流含有等于或小于20摩尔％的所述气态进料料流中的烃。吹扫料流可以在进料温度以上至少100℉(55.6℃)的温度下穿过吸附剂床单元并且吹扫料流可以含有等于或小于20摩尔％的所述进料料流中的甲烷或优选等于或小于10摩尔％的所述进料料流中的甲烷。所述一个或多个吹扫单元可以包括配置用来将溢料燃料料流、沸出气体料流和它们的任何组合之一压缩的一个或多个压缩机。
附图简述
本公开内容的上述及其它优点可以在回顾以下详细描述和实施方案的非限制性实施例的附图后变得明显。
图1是根据本发明技术实施方案的具有六个吸附剂床单元和互联管道的变吸附***的三维图。
图2是根据本发明技术实施方案的具有相关阀门组件和集管的吸附剂床单元的一部分的示意图。
图3是用于进料料流脱水以形成液化天然气(LNG)料流的常规***的示意图。
图4是根据本发明技术实施方案的将进料料流脱水以形成液化天然气(LNG)料流的示例性示意图。
图5A、5B和5C是与根据本发明技术实施方案的图4中的构造有关的示例性示意图。
图6A、6B和6C是与根据本发明技术实施方案的图4中的构造有关的示例性示意图。
具体实施方式
除非另有说明，这里所使用的所有科技术语具有与本公开内容所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同的含义。除非上下文清楚地另外指出，单数"a、an"和"所述(the)"包括复数指代物。类似地，除非上下文清楚地另外指出，词汇"或"意欲包括"和"。术语"包括"意思是"包含"。除非另外指出，本文提到的所有专利和出版物以全文引入作为参考。在术语或短语的含义冲突的情况下，采用本说明，包括术语的解释。方向术语，例如"上"、"下"、"顶"、"底"、"前"、"后"、"垂直"和"水平"在这里用于表达和澄清各种要素之间的关系。应理解这类术语不代表绝对方位(例如，"垂直"组件通过旋转设备可变成水平)。这里引用的材料、方法和实例仅仅是说明性的而不希望是限制性的。
这里所使用的“料流”是指经过各个设备引导的流体(例如，固体、液体和/或气体)。所述设备可以包括管道、容器、集管、单元或其它适合的器件。
这里所使用的体积％基于标准条件。标准条件标准化到0℃(例如，32℉)的温度和100千帕(kPa)(1巴)的绝对压力。
这里所使用的“管道”是指形成经由其输送某些东西的通道的管形构件。所述管道可以包括管子、集管、软管等中的一种或多种。
本发明技术涉及使用快速循环的吸附剂床将进料料流(例如，天然气)脱水的变吸附方法(例如，快速循环方法)。该方法可以涉及吸附剂床，该吸附剂床被部分减压和被适度热的干燥产物气体的逆流气流加热而热辅助分压吹扫解吸(例如，吹扫料流)。和常规途径形成对比，本发明技术使用较低温度的吹扫料流，其可以不完全使吸附剂床脱水。结果，可以通过除燃气炉以外的其它手段，例如仅仅通过压缩产生吹扫料流中的温度。吹扫料流中的较低温度可以用于提供成本和安全利益，连同操作改进。例如，较低的温度可以减少吸附剂的水热降解和减少焦炭形成。另外，本发明技术比常规TSA分子筛***廉价，并通过使用吸附剂床而不是常规的TSA分子筛脱水而具有更小的占地空间。
作为一种增强，本发明技术使用具有比常规途径更低的温度(例如，小于450℉(232.2℃))的吹扫料流。吹扫料流可以小于450℉(232.2℃)，优选小于360℉(182.2℃)。例如，吹扫料流中的温度可以介于进料温度以上大约50℉(27.8℃)的温度至450℉(232.2℃)，可以介于进料温度以上大约100℉(55.6℃)的温度至450℉(232.2℃)，可以介于200℉(93.3℃)至450℉(232.2℃)，可以介于250℉(121.1℃)至380℉(193.3℃)，和/或可以介于280℉(137.8℃)至360℉(182.2℃)。吹扫料流也可以是干燥吹扫气，它们用来在解吸期间加热吸附剂床。该较低的温度可以减少吸附剂材料的水热降解并可以减少焦炭的形成。另外，该较低温度的吹扫料流可以由使用压缩产生，该压缩可以是这种吹扫气的仅有的热源。在一些实施方案中，该较低温度的吹扫气可以仅仅通过压缩加热，从而排除火焰加热器并因此减少资本投资并加强安全。
此外，本发明技术还可以包括用于进料料流和吹扫料流的各种压力。例如，进料料流的进料压力可以基于优选的吸附进料压力，这可以在400每平方英寸绝对磅数(psia)-1,400psia，或600psia-1,200psia的范围内。此外，吹扫料流的吹扫压力可以基于优选的吸附剂吹扫压力，这可以在200每平方英寸绝对磅数(psia)-800psia，或400psia-600psia的范围内。
另外，另一种增强在于吹扫料流含有进料料流的一部分。举例来说，吹扫料流流量可以等于或小于进料料流流量的20mol％(％)；吹扫料流流量可以等于或小于进料料流流量的15摩尔％；或吹扫料流流量可以等于或小于进料料流流量的10摩尔％。另外，吹扫料流流量可以大于或等于进料料流流量的1摩尔％；吹扫料流流量可以大于或等于进料料流流量的3摩尔％；或吹扫料流流量可以大于或等于进料料流流量的5摩尔％。作为另一个实例，吹扫料流可以含有等于或小于20摩尔％的进料料流中的烃，例如甲烷；或优选等于或小于10摩尔％的进料料流中的烃，例如甲烷。另外，吹扫料流可以含有等于或大于1摩尔％的进料料流中的烃，例如甲烷；或优选等于或大于3摩尔％的进料料流中的烃，例如甲烷，或优选等于或大于5摩尔％的进料料流中的烃，例如甲烷。作为一个特定实例，包括来自进料料流的甲烷的一部分的吹扫料流可以包括等于或小于20摩尔％的所述进料料流中的甲烷，等于或小于15摩尔％的所述进料料流中的甲烷，等于或小于10摩尔％的所述进料料流中的甲烷，或等于或小于7摩尔％的所述进料料流中的甲烷。
另外，吹扫料流可以包括进料料流的一部分。举例来说，吹扫料流中的甲烷的所述部分可以等于或大于1摩尔％的进料料流中的甲烷；或优选等于或大于3摩尔％的进料料流中的甲烷；或优选等于或大于5摩尔％的进料料流中的甲烷。此外，吹扫料流中的烃的所述部分可以等于或大于1摩尔％的进料料流中的烃；或优选等于或大于3摩尔％的进料料流中的烃；或优选等于或大于5摩尔％的进料料流中的烃。作为又一个实例，吹扫料流流量可以等于或大于进料料流流量的1mol％(％)；吹扫料流流量可以等于或大于进料料流流量的3摩尔％；或吹扫料流流量可以等于或大于进料料流流量的5摩尔％。
作为另一种增强，本发明技术可以经由使用快速循环变吸附方法，例如TSA方法提供脱水。虽然在不要求吸附剂床的完全干燥(例如，定向地使得所要求的单位进料体积的吸附剂数量更大)的情况下每单位质量吸附剂床的变容量(swing capacity)可能小于常规TSA分子筛脱水，但是快速循环的使用可以与常规TSA分子筛脱水相比减少吸附剂数量，在于所要求的吸附剂数量比常规TSA分子筛脱水小十至超过一百倍，这取决于特定构造。此外，吸附剂床加热的较低温度可以在不要求吸附剂床完全干燥的情况下使用。相应地，本发明技术的吹扫步骤中吹扫料流的较低温度可以仅通过压缩加热，从而减少或排除昂贵的换热器或火焰加热器。此外，本发明技术可以将变热吸附与变压吸附组合以进一步增强该方法。
在本发明技术中，吸附剂床的产物端被维持几乎干燥(例如，接近产物端的区域的水负荷小于1摩尔/千克(mol/kg)，小于0.5mol/kg，或小于0.1mol/kg)，但可以不需要完全干燥吸附剂床的进料端。所述进料端或进料侧是进料料流初始进入吸附剂床的那端，而产物端是吸附剂床的与进料端相反的那部分并且进料料流在那里离开吸附剂床。水的负荷水平可以在吹扫步骤期间在吸附剂床的进料侧更低，但是吸附剂床的含有水的长度在吹扫步骤期间减小。例如，被吸附物负荷的区域可以是吸附剂床的从吸附剂床的进料端至床长度的10％，从吸附剂床的进料端至床长度的40％或从吸附剂床的进料端至床长度的75％的特定部分。产物区可以是吸附剂床的从吸附剂床的产物端至床长度的10％，从吸附剂床的产物端至床长度的25％或从吸附剂床的产物端至床长度的40％的特定部分。仅使用床长度的一部分确保吸附剂床的产物端严格地保持干燥并且提供极其低的产物水浓度。另外，维持吸附剂床的产物端的大部分干燥在其中结构化吸附剂(例如整体式)用于吸附器结构或吸附剂床的实施方案中为气体行程通道的不均匀性提供灵活性。湿前沿在吹扫步骤期间往回和在吸附步骤期间向前的运动是该方法的变容量的基础。部分地，这通过在这种方法和构造中在吹扫料流中使用有限的、成本有效量的吹扫气实现。
另外，本发明技术可以集成到各个构造中以提供额外的功能性。例如，本发明技术可以用于，但不限于，液化天然气(LNG)设备之前料流的脱水和与该设备集成，这可以包括将污染物除去到LNG规格。其它集成可以包括冷冻天然气液化回收设备、受控制冷区设备或其它这样的设备。不论如何，本发明技术可用来处理含较高或较低量水和高达大约500molppm(ppm)CO2水平的气体到LNG规格。本发明技术还可以用来将污染物除去到其它规格，例如冷冻天然气液化回收设备的冷冻天然气液化规格等。在与快速循环耦合的吹扫步骤期间使用热波部分地加热吸附剂床的方法为本领域技术人员已知的其它变热吸附分离提供增强，例如经济增强。
有利地，本发明技术提供各种优点。例如，本发明技术提供模块化设计并且可以配置用来减少工艺的占地空间、重量和资本费用以使用快速循环的吸附剂床处理进料料流(例如，天然气)的脱水。本发明技术可以用于液化天然气(LNG)设备和其它适合的设备。此外，因为这种方法不包括使用任何火焰炉，所以本发明技术可以从工艺中消除使用火焰炉或高温换热器。此种设备的移除由于消除了火焰连同相关设备是本身安全的，并且由于没有在炉子中的燃烧而可以降低燃料消耗和温室气体(GHG)排放。另外，本发明技术可以在工艺中使用的吸附剂材料的选择方面提高灵活性，由于整体式吸附剂床设计可以减少粉尘形成，由于较低的吸附剂数量可以减少固体废物产生和/或由于低的吸附剂数量可以减少重质烃(例如C2+)的吸附。本发明技术由于快速循环TSA设备的模块化构造还可以降低当转换吸附剂床时对下游加工设备的影响，从而提供吸附剂床中的一些进行离线替换或再生，同时吸附剂床单元的其余部分继续为下游设备(例如，LNG或冷冻分离设备)提供干燥产物。
在一个或多个实施方案中，变吸附***可以包括与液化天然气工艺单元流体连通的一个或多个吹扫单元。该吹扫单元可以配置用来为吸附剂床单元中的每一个提供吹扫料流，其中所述吹扫料流由产物料流的一部分、溢料燃料料流、沸出气体料流和它们的任何组合之一提供。举例来说，吹扫单元可以是或包括配置用来将溢料燃料料流、沸出气体料流和它们的任何组合之一压缩的一个或多个压缩机。此外，吹扫单元可以是或包括配置用来将产物料流的所述部分减压的一个或多个降压装置(例如，膨胀器或阀门)。产物料流的所述部分可以来自变吸附***内的吸附剂床单元中的任一个。
此外，在一个或多个实施方案中，本发明技术可以用于任何类型的变吸附方法。本发明技术的非限制性变吸附方法可以包括变压吸附(PSA)、真空变压吸附(VPSA)、变温吸附(TSA)、变分压吸附(PPSA)、快速循环变压吸附(RCPSA)、快速循环变热吸附(RCTSA)、快速循环变分压吸附(RCPPSA)，以及这些方法的组合，例如变压/变温吸附。示例性的动态变吸附方法描述在美国专利申请公开号2008/0282892、2008/0282887、2008/0282886、2008/0282885、2008/0282884和2014/0013955中，它们各自全文在此引入供参考。
上述吸附分离方法、装置和***可用于烃的开发和生产，例如气和油加工。特别地，所提供的方法、装置和***可用于从气体混合物快速、大规模、有效分离各种目标气体。特别地，所述方法、装置和***可用来通过除去污染物(例如，CO2、H2O和重质烃(即，含至少两个碳原子的烃))制备进料产物(例如，天然气产物)。所提供的方法、装置和***可用于制备用于应用(包括分离应用)的气态进料料流。分离应用可以包括露点控制；脱硫和/或解毒；腐蚀保护和/或控制；脱水；热值；调理；和/或纯化。使用一种或多种分离应用的应用的实例包括燃料气；密封气；非饮用水；覆盖气；仪器和控制气；致冷剂；惰性气体和/或烃回收的产生。
在某些实施方案中，本发明技术可用来从进料料流除去污染物，例如从烃料流除去酸气。酸气除去技术可用于显示更高酸气浓度的气体储备(例如，酸性气资源)。烃进料料流在酸气含量方面变化很大，例如从几ppm酸气到90体积％(vol％)酸气。来自示例性的气体储备的酸气浓度的非限制性实例包括至少以下数量的浓度：(a)1vol％H2S,5vol％CO2,(b)1vol％H2S,15vol％CO2,(c)1vol％H2S,60vol％CO2,(d)15vol％H2S,15vol％CO2和(e)15vol％H2S,30vol％CO2。相应地，本发明技术可以包括将各种污染物，例如H2S和CO2除去到期望水平的设备。特别地，可以将H2S降低到小于4ppm的水平，同时可以将CO2降低到小于100ppm或小于50ppm的水平。
在其它实施方案中，本发明技术可用来通过变吸附方法将料流的水含量减少至特定水平。例如，进料料流的水含量可以为数ppm至该料流中的饱和水平的范围内。特别地，水含量可以为数百ppm至饱和水平，例如依赖于进料压力，100ppm至1,500ppm，或依赖于进料压力，500ppm至1,500ppm。变吸附方法的产物料流的特定的水水平可以与期望的输出产物的露点有关(例如，来自水含量的露点应该低于后续方法(例如液化)中的料流的最低温度并与进料压力和进料组成有关)。对于LNG应用，水含量可以小于0.1ppm，因为露点可以是-260℉(-162.2℃)。对于冷冻天然气液体(NGL)回收应用，水含量可以小于1ppm，因为露点可以是大约-150℉(-101.1℃)。对于受控制冷区(CFZ)应用，水含量可以小于10ppm，因为露点可以是-60℉(51.1℃)。产物料流的水含量可以小于(<)0.1体积ppm(ppmv)；<10ppmv，<1ppmv或<0.1ppmv。举例来说，气态进料料流可以包括烃和H2O，其中H2O在0.2体积ppm至该气态进料料流中的饱和水平的范围内或H2O可以在100ppmv-1500ppmv的范围内。
在某些实施方案中，进入变吸附方法或吸附剂床单元之一的气态进料料流可以被调理以解决由于穿过提升阀引起的压降问题。这种由于提升阀的压降可能导致吸附剂床内的液体滴出。为了避免液体滴出，可以将气态进料料流加热以减少或消除液体滴出。举例来说，可以让气态进料料流穿过加热器或换热器以提高气态进料料流的温度而减少或消除液体滴出。气态进料料流可以具有提高至少2℉(1.1℃)，至少5℉(2.8℃)或至少20℉(11.1℃)的温度。
另外，在一个或多个实施方案中，本发明技术可以包括除去污染物，例如水的特定工艺流程。例如，该方法可以包括吸附步骤和再生步骤，其形成循环。吸附步骤可以包括让气态进料料流在进料压力和进料温度下穿过吸附剂床单元以从所述气态进料料流分离一种或多种污染物而形成产物料流。可以让进料料流按正向通过吸附剂床(例如，从吸附剂床的进料端到吸附剂床的产物端)。然后，可以中断气态进料料流的流动用于再生步骤。再生步骤可以包括一个或多个减压步骤、吹扫步骤和一个或多个再加压步骤。减压步骤可以包括对于每个相继的减压步骤将所述吸附剂床单元的压力降低预定量，这可以是单个步骤和/或多个步骤并可以是一个或多个排放步骤(blowdown step)。减压步骤可以按正向提供或可以优选按逆流方向提供(例如，从吸附剂床的产物端到吸附剂床的进料端)。吹扫步骤可以包括让吹扫料流流入吸附剂床单元中，这可以是一次操作的吹扫步骤并且吹扫料流可以相对于进料料流按逆流提供。
正如上面所指出的那样，吹扫料流可以在该温度范围、流量中提供并具有组成。例如，可以包括进料料流中的甲烷的一部分的吹扫料流可以包括等于或小于20摩尔％的进料料流中的甲烷；或等于或小于10摩尔％的进料料流中的甲烷。此外，吹扫料流流量可以等于或小于进料料流流量的20mol％(％)；吹扫料流流量等于或小于进料料流流量的15摩尔％；或吹扫料流流量等于或小于进料料流流量的10摩尔％。另外，吹扫料流流量可以大于或等于进料料流流量的1摩尔％；吹扫料流流量可以大于或等于进料料流流量的3摩尔％；或吹扫料流流量可以大于或等于进料料流流量的5摩尔％。作为另一个实例，吹扫料流可以含有等于或小于20摩尔％的进料料流中的烃，例如甲烷；或优选等于或小于10摩尔％的进料料流中的烃，例如甲烷。另外，吹扫料流可以含有等于或大于1摩尔％的进料料流中的烃，例如甲烷；或优选等于或大于3摩尔％的进料料流中的烃，例如甲烷，或优选等于或大于5摩尔％的进料料流中的烃，例如甲烷。作为一个特定实例，包括来自进料料流的甲烷的一部分的吹扫料流可以包括等于或小于20摩尔％的所述进料料流中的甲烷，等于或小于15摩尔％的所述进料料流中的甲烷，等于或小于10摩尔％的所述进料料流中的甲烷，或等于或小于7摩尔％的所述进料料流中的甲烷。吹扫料流中的甲烷的所述部分可以等于或大于1摩尔％的进料料流中的甲烷；或优选等于或大于3摩尔％的进料料流中的甲烷；或优选等于或大于5摩尔％的进料料流中的甲烷。
吹扫步骤的输出料流可以被带离用于其它设备，例如LNG设备中的燃料。然后，可以进行一个或多个再加压步骤，其中用每个相继的再加压步骤使所述吸附剂床单元内的压力用每个再加压步骤增加预定量。然后，对于额外的料流可以重复该循环。循环持续时间可以是大于1秒且少于600秒的时期，大于2秒且少于300秒的时期，大于2秒且小于200秒的时期，大于1秒或2秒且小于90秒的时间，或大于2秒且小于60秒的时期。本发明技术可以进一步参考以下图1-6C理解。
图1是具有六个吸附剂床单元和互联管道的变吸附***100的三维图。虽然这种构造是具体实施例，但是本发明技术广泛地涉及可以按对称取向、或非对称取向和/或多个硬件滑道(hardware skids)的组合部署的吸附剂床单元。另外，这种特定构造用于示例性目的，因为其它构造可以包括不同数量的吸附剂床单元。
在这个***中，吸附剂床单元，例如吸附剂床单元102可以配置用于循环变吸附方法以从进料料流(例如，流体、气体或液体)除去污染物。例如，吸附剂床单元102可以包括各种管道(例如，管道104)以操纵流体流经吸附剂床单元102内的吸附剂床，流到该吸附剂床，或从该吸附剂床流动。吸附剂床单元102的这些管道可以与集管(例如，集管106)耦合以分配料流到组件、从组件或在组件之间的流动。吸附剂床单元内的吸附剂床可以从进料料流分离一种或多种污染物以形成产物料流。如可以领会的那样，吸附剂床单元可以包括其它管道以控制其它流体料流作为该方法的一部分，例如吹扫料流、减压料流等。另外，吸附剂床单元还可以包括一个或多个均衡容器，例如均衡容器108，其用于吸附剂床单元并可以用于变吸附方法中的一个或多个步骤。
作为下面图2中进一步论述的实施例，吸附剂床单元102可以包括外壳(该外壳可以包括头部和其它体部，形成基本上不透气的隔板)、布置在该外壳内的吸附剂床和多个阀门(例如，提升阀)，该阀门在该外壳的内部区域和该外壳内部区域以外的位置之间提供穿过该外壳中的开口的流体流动通道。提升阀中的每一个可以包括可坐入头部内的盘状元件或可坐入插在头部(未显示)内的独立阀门座内的盘状元件。提升阀的构造可以是任何种类的阀门型式或是提升阀类型的构造。作为实施例，吸附剂床单元可以包括一个或多个提升阀，各自与和不同料流相联系的不同管道流动连通。提升阀可以在吸附剂床和相应的管道、集管或头部之一之间提供流体连通。术语“直接流动连通”或“直接流体连通”是指直接流动连通，而没有***的阀门或其它用于阻拦流动的封闭装置。如可以领会的那样，其它变型也可以在本发明技术范围内被考虑。
吸附剂床包含能够从进料料流吸附一种或多种组分的固体吸附剂材料。此类固体吸附剂材料经选择应针对吸附剂床单元102内的物理和化学条件持久耐用并可以包括金属、陶瓷或其它材料，这取决于吸附方法。下面进一步说明吸附剂材料的其它实施例。
图2是根据本发明技术实施方案的具有阀门组件和集管的吸附剂床单元的一部分的示意图200。吸附剂床单元200的那部分(其可以是图1的吸附剂床单元102的一部分)包括外壳或主体，其可以包括圆柱壁214和圆柱绝缘层216连同上头部218和下头部220。吸附剂床210布置在上头部218和下头部220和绝缘层216之间，这导致上开放区和下开放区，该开放区基本上由开放流路体积组成。吸附剂床单元中的此种开放流路体积含有必须***纵以用于各种步骤的气体。该外壳可以配置用来维持内部区域内0bara(绝对巴)或0.1bara至100bara的压力。
上头部218和下头部220含有开口，其中可以分别***阀门结构，例如阀门组件222-240(例如，提升阀)。在相应的头部218或220和吸附剂床210之间的上或下开放流路体积也可以含有分配管线(未显示)，它们将流体直接地导入吸附剂床210。上头部218含有各种开口(未显示)以提供穿过入口集管242和244和出口集管248、250和252的流动通道，同时下头部220含有各种开口(未显示)以提供穿过入口集管254和出口集管256、258和260的流动通道。与相应的集管242-260流体连通布置的是阀门组件222-240。如果阀门组件222-240是提升阀，则各自可以包括与茎状元件连接的盘状元件，该茎状元件可以位于衬套或阀导管内。茎状元件可以与执行装置，例如多个执行装置(未显示)连接，该执行装置配置用来让相应的阀门对相应的茎施加线性运动。如可以领会的那样，执行装置可以对于方法中的不同步骤独立工作以激活单个阀门或单个执行装置可以用来控制两个或更多个阀门。另外，虽然开口可以在尺寸方面是基本上相似的，但是入口集管的开口和入口阀可以具有比出口集管的那些更小的直径，因为经过入口的气体体积可能往往小于穿过出口的产物体积。
在变吸附方法中，循环包括两个或更多个步骤，它们各自具有某种时间间隔，这些时间间隔一起合计是循环时间。这些步骤包括在使用各种方法，包括压力变化、真空变化、温度变化、吹扫(经由用于该方法的任何适合类型的吹扫流体)和其组合的吸附步骤之后的吸附剂床再生。作为一个实施例，PSA循环可以包括以下步骤：进料或吸附、减压(例如，排放)、吹扫和再加压。当在高压下进行分离时，可以按多个步骤进行减压和再加压(可以称为均衡)以降低每个步骤的压力变化和提高效率。在一些变吸附方法例如快速循环变吸附方法中，总循环时间的主要部分涉及吸附剂床的再生。相应地，用于再生的时间量的任何减少导致总循环时间或循环持续期的减少。这种减少还可以减小变吸附***的总尺寸。
如上所述，常规的脱水***典型地使用TSA和PSA分子筛方法达到。该常规***包括许多小时的对于分子筛单元的操作以用吸附的物质(例如，水)填充和加热以便解吸。结果，分子筛单元是非常大的(例如，是大的占地空间并包括比本发明技术更多的吸附剂)。为了使所要求的再生气体体积最小化和使床层容量最大化，典型地干燥分子筛单元的吸附剂床(例如，在期望的产物水活度水平以下)，这使用处于大约500℉(260℃)的吹扫气。另外，常规途径维持窄的传质区，或尖锐的吸附前沿以使床层利用率最大化，同时维持严格的脱水。集成到LNG设备中的常规方法的示意图示于下面图3中。
作为实施例，图3是用于进料料流脱水以形成液化天然气(LNG)料流的常规***300的示意图。如示意图300所示，使用各种设备，例如单元302、306、308、310、312、314、318、320和322加工管道304中的进料料流以产生输出料流，例如管道316中的LNG料流。
该方法从污染除去单元302开始，该污染除去单元302接收输入料流并从该输入料流分离汞、二氧化碳(CO2)、硫化氢(H2S)的至少一部分。污染除去单元302的输出料流是进料料流，其经由管道304提供给换热器306。该换热器306用来调节进料料流的温度，并且还可以配置用来从该料流除去水的一部分。例如，换热器可以降低进料料流的温度，这导致冷凝，其从该料流带离。将换热器306的输出物提供给过滤器308。过滤器308配置用来从该温度调节的进料料流除去颗粒和液滴两者。然后，将该过滤器308的输出物提供给分子筛单元310。分子筛单元310配置用来从该料流分离额外的污染物，例如水。将分子筛单元310的经脱水输出物输送给换热器312，该换热器312调节该料流的温度，然后让该料流流到LNG工艺单元314。LNG单元314的输出料流是输送给销售、存储和/或装运的最终产物。
来自LNG单元314的额外料流可以是该方法内使用的溢料燃料料流。例如，来自LNG单元314的添加料流是较低压力高纯度甲烷侧料流，其可以提供给燃料气压缩机单元318。该额外的料流可以称为溢料燃料料流、闪蒸气体、闪蒸/燃料气或末端闪蒸气体。燃料气压缩机单元318的该经压缩燃料输出料流的一部分在加热单元320中加热，该加热单元可以是加热炉或换热器单元，并且配置用来以热方式改变分子筛单元310的解吸温度。这种料流是分子筛单元310的输出物并穿过换热器单元322以冷却(例如，降低该的温度)该料流，并且还可以配置用来从该料流除去水的一部分。可以将这种经加热的料流与管道326中的燃料气压缩机单元318的任何剩余输出物和来自管道324的沸出气体(如果有的话)结合以在管道328中形成燃料流。
上述构造包括使用燃料气作为分子筛单元310的吹扫料流。或者，该常规途径可以包括变温吸附方法并可以配置用来使用干燥气用于再生并将湿再生气从压缩机再循环到进料气。然而，这种途径可能提高操作成本和高再生热气流量(例如，气体温度等于或大于500℉(260℃))。
作为实施例，进料料流可以按750百万标准立方英尺/天(MSCFD)的流量，在大约86℉(30℃)的温度和大约1,175每平方英寸绝对磅数(psia)的压力下提供。进料料流可以主要包括甲烷，连同其它更重质烃和污染物。特别地，甲烷(C1)可以是大约92体积％(vol％)，其它烃(C2+)可以是大约8vol％，硫化氢H2S可以是大约4ppm，二氧化碳可以是大约50ppm的CO2，水可以是大约34磅/百万标准立方英尺(lb/MSCF)的H2O。换热器306可以将进料料流的温度从大约86℉调节到大约68℉(20℃)，这也可以将水减少到19lb/MSCF。经过换热器312输送的从分子筛单元310流到LNG工艺单元314的料流可以在68℉(20℃)的温度和1,150psia的压力下具有750MSCFD的流量。这种料流可以包括少于大约0.1ppm的水。然后，管道316的输出料流可以处于5.2百万吨/年(MTA)。
提供给燃料气压缩机单元318的溢料燃料料流可以按52MCSFD的流量提供，这可以是提供给LNG工艺单元314的料流体积的大约7％。管道326中的来自燃料气压缩机单元318的额外燃料流可以是27MSCF(例如，提供给LNG工艺单元314的料流的4体积％)，而穿过换热器320到分子筛单元310的料流可以是25MSCFD(例如，提供给LNG工艺单元314的料流的3体积％)。到分子筛单元310的料流可以在550℉(287.8℃)的温度和665psia的压力下。从分子筛单元310输送到换热器322的料流可以在25MSCF的流量(例如，提供给LNG工艺单元314的料流的3体积％)和600psia的压力下。此外，管道324中的沸出气体料流可以在19MSCGD的流量下(例如，提供给LNG工艺单元314的料流的2.5体积％)提供。
如这一实施例中指出那样，燃料气压缩机单元318的吹扫料流在550℉(287.8℃)的高温下提供。这种高温吹扫料流可能导致吸附剂颗粒的水热降解和吸附剂床内的焦炭形成，而导致失活和相关停产。
另外，在这种构造中，吹扫料流含有进料料流的一部分。例如，如果进料量是750MSCFD到分子筛单元310，则吹扫料流是处于25MSCFD的闪蒸气体。因为所有料流的组成基本上相似(例如，没有水含量的一部分)，所以吹扫料流中使用的进料料流的质量可以估算为是供给分子筛方法的进料质量的大约3.3％(例如，25MSCFD/750MSCFD)。在这种计算中，不考虑H2S、CO2和H2O的浓度。
作为增强，图4是根据本发明技术的实施方案将进料料流脱水以形成液化天然气(LNG)料流的示例性示意图400。因为吸附剂材料的量随着循环时间线性地改变，所以本发明技术提供与常规***(例如图3中指出的构造)相比涉及更小占地空间的吸附剂床单元和组件。另外，虽然某些单元可以按类似于上面指出的方式使用，但是这种构造包括过滤器404和吸附剂床单元406，它们用来减少进料料流而不是分子筛单元的污染。
与图3中的方法相似，该方法从污染除去单元302开始，该污染除去单元接收料流并从该输入料流分离汞、二氧化碳(CO2)、硫化氢(H2S)。污染物除去***可以使用变吸附方法、紧密接触方法或其它适合的方法。紧密接触方法可以包括美国专利申请公开号20110168019；20120238793；20140123620；20140331862；20140335002和20150352463和美国序列号14/948422；15/004348和15/009936中描述的方法，它们各自全文在此引入供参考。污染除去单元302的输出料流是进料料流，其经由管道304提供给准备用于液态水除去306的换热器。换热器306用来调节进料料流的温度和在略微小于所需进料温度下将水除去到其饱和条件。将换热器单元306的输出物输送到换热器402，其可以是第二换热器，配置用来将该料流加热预定量(例如，至少数度)以使百分率湿度减少到少于100％和避免或减少在变吸附和解吸方法期间水冷凝的风险。将换热器402的输出物输送到过滤器单元404。该过滤器单元404配置用来从该料流除去颗粒和/或液滴。将过滤器404的输出物输送到吸附剂床单元406，其可以包括配置用来从该料流除去污染物的一个或多个吸附剂床单元。吸附剂床单元406可以配置用来运转快速循环变吸附方法。吸附剂床单元406可以配置用来从该料流除去足够比例的H2O，例如少于0.1ppm。在吸附剂床单元406之后，将吸附剂床单元406的产物输出物在换热器单元312中冷却，然后供入LNG工艺单元314。
在这种构造中，将溢料燃料料流提供给燃料气压缩机单元318。燃料气压缩机单元318将该低压力高纯度甲烷料流压缩以提高所得的料流的压力。然后，将燃料气压缩机单元318的输出物与经由管道408提供的沸出气体料流结合以形成吹扫料流。将该吹扫料流提供给吸附剂床单元406作为变吸附方法中的吹扫气。该吹扫料流与吸附剂床单元406中的污染物(例如，水)结合而形成输出吹扫料流。可以从吸附剂床单元406朝热交换415带离该输出吹扫料流。该换热器415配置用来调节该料流的温度，并且还可以配置用来从该料流除去水的一部分。然后，经由管道416提供该经调理料流作为工艺燃料气流。
这种构造使用与常规分子筛途径相比处于更低温度的吹扫料流。作为实施例，该构造可以用来处理750MSCFD的湿进料，其包括使用四个吸附剂床单元。这些吸附剂床单元中的每一个(由吸附剂床单元406表示)可以具有0.25米(m)直径并可以是0.6m长。在这一实施例中，每个床由50微米钢壁隔离并涂有60微米多孔吸附剂层的直径为500×500微米平行通道组成。在这一实施例中，吸附器床的典型的热容是大约3.0焦耳/克吸附剂/开氏温度(J/g吸附剂/K)。每个床含有总共22.1kg吸附剂，对于整个方法所要求的总共88.4kg。另外，本发明技术不要求窄的传质区，因此对于严格的水除去可以使用宽范围的吸附剂。这些包括但不限于二氧化硅凝胶，沸石3A、4A和5A。
作为实施例，进料料流可以在750MSCFD下，在大约86℉的温度和大约1,175每平方英寸绝对磅数(psia)的压力下提供。进料料流可以主要包括甲烷，连同其它烃和污染物。特别地，甲烷(C1)可以是大约92vol％，其它烃(C2+)可以是大约8vol％，硫化氢H2S可以是大约4ppm，二氧化碳可以是大约50ppm的CO2，水可以是大约34磅/百万标准立方英尺(lb/MSCF)的H2O。换热器306可以将进料料流的温度从大约86℉(30℃)调节到大约68℉(20℃)，这也可以将水减少到19lb/MSCF。然后让该料流穿过第二换热器以调节温度到73℉(22.8℃)，随后流到过滤器404和吸附剂床单元406。然后，将吸附剂床单元406的输出物输送穿过换热器312到LNG工艺单元314。这一料流可以具有750MSCFD的流量，在68℉(20℃)的温度和1,150psia的压力下。这一料流可以包括少于大约0.1ppm的水。然后，管道316的输出料流可以在5.2MTA。
提供给燃料气压缩机单元318的溢料燃料料流可以按50MCSFD的流量提供，这可以是提供给LNG工艺单元314的料流的大约6.7体积％。可以将燃料气压缩机单元318的输出物与沸出气体(例如，11MSCFD，是提供给LNG工艺单元314的料流的1.5体积％)结合并提供给吸附剂床单元406作为吹扫料流。吹扫料流可以按61MSCFD的流量(例如，提供给LNG工艺单元314的料流的3体积％)在336℉(168.9℃)的温度和622psia的压力下提供。将吹扫输出料流从吸附剂床单元406输送到换热器415(例如，吹扫换热器)并可以处于63MSCFD的流量(例如，提供给LNG工艺单元314的料流的8.4体积％)在大约240℉(115.6℃)的温度和600psia的压力下。
在这种构造中，吹扫料流含有进料料流的一部分。例如，如果进料量是750MSCFD到吸附剂床单元406，则吹扫料流是在50MSCFD下的闪蒸气体和在11MSCFD下的沸出气体的结合。因为所有料流的组成基本上相似(例如，没有水含量的一部分)，所以吹扫料流中使用的进料料流的质量可以估算为是供给变吸附方法的进料质量的大约8.1％(例如，61MSCFD/750MSCFD)。在这种计算中，不考虑H2S、CO2和H2O的浓度。
举例来说，吹扫料流可以包括等于或小于20摩尔％的所述进料料流中的烃，例如甲烷，等于或小于15摩尔％的所述进料料流中的烃，例如甲烷，等于或小于10摩尔％的所述进料料流中的烃，甲烷，或等于或小于7摩尔％的所述进料料流中的烃，例如甲烷。在其它实施例中，吹扫料流可以包括等于或小于20体积％的所述进料料流，等于或小于15体积％的所述进料料流，等于或小于10体积％的所述进料料流，或等于或小于7体积％的所述进料料流。在其它构造中，吹扫料流流量可以等于或小于进料料流流量的20mol％(％)；吹扫料流流量可以等于或小于进料料流流量的15摩尔％；或吹扫料流流量可以等于或小于进料料流流量的10摩尔％。
另外，吹扫料流可以包括进料料流的一部分。举例来说，吹扫料流中的甲烷的所述部分可以等于或大于1摩尔％的进料料流中的甲烷；或优选等于或大于3摩尔％的进料料流中的甲烷；或优选等于或大于5摩尔％的进料料流中的甲烷。此外，吹扫料流中的烃的所述部分可以等于或大于1摩尔％的进料料流中的烃；或优选等于或大于3摩尔％的进料料流中的烃；或优选等于或大于5摩尔％的进料料流中的烃。作为又一个实施例，吹扫料流流量可以等于或大于进料料流流量的1mol％(％)；吹扫料流流量可以等于或大于进料料流流量的3摩尔％；或吹扫料流流量可以等于或大于进料料流流量的5摩尔％。
在这一示意图400中，经由吹扫步骤用吹扫料流使快速循环吸附剂床再生，该吹扫料流仅通过压缩加热。这种构造可以从吹扫料流工艺流程中移除任何换热器或加热炉。另外，在这一构造中，通过将经压缩溢料燃料料流(例如，LNG闪蒸气体)和来自LNG贮罐(未显示)在管道408中的沸出气体(BOG)结合提供吹扫料流。因为吹扫料流处于较低温度，所以它可能需要比图3的常规方法中的再生料流更少的热。
在另一个实施方案中，过滤器404可以布置在两个换热器306和402之间，在冷冻器换热器306下游，但是在过热器换热器402上游。这一构造可以减少液滴转移进入过热器换热器402的可能性。过热器换热器402的用途是调节正提供给吸附剂床的进料，以致它具有小于(<)100％相对湿度并且水滴进入过热换热器402的转移可能阻碍这种用途。
本发明技术的增强进一步通过比较这两种方法进行说明。例如，进行进料料流的相同脱水。常规TSA分子筛方法(如图3中说明)中的方法包括三个分子筛床，各自含有38,102千克(kg)沸石4A吸附剂，总共114,306kg吸附剂。本发明技术中的方法(如图4中说明)包括四个吸附剂床单元，它们各自含有22.1kg沸石5A吸附剂，总共88.4kg吸附剂。用于常规方法的吸附剂的量是比图4中的构造所需要的吸附剂量大1,293倍。此外，常规TSA分子筛方法的单元具有大约1.41米(m)的直径和大约6.7m的长度，而本发明技术中的吸附剂床单元具有大约0.25m的直径和0.6m的长度。相应地，本发明技术的占地空间比常规TSA分子筛方法小得多。
图5A、5B和5C包括与根据本发明技术实施方案的图4中的构造相关的示例性示意图500、520和540。这些示意图500、520和540描述了变吸附方法的一个示例性循环的时机和步骤。在示意图500中，对于一个示例性循环中的步骤，沿着压力轴506(psia)、温度轴508(华氏度(℉))相对于循环时间轴510(秒(s))示出了床压力响应502和床温度响应504。作为一个实施例，图5A、5B和5C中的循环可以包括进行保持步骤2秒，排放步骤6秒，吹扫步骤12秒，第二保持步骤2秒，再加压步骤2秒，然后吸附步骤24秒。这种构造中的单个循环的所得持续时间是48秒。
在示意图520和540中，相对于床长度示出了床层气体组成的水浓度。这些示意图520和540上的响应是气相中的水浓度并且不包括固体吸附剂中吸收的水量。特别地，示意图520是示意图500中进行的吹扫步骤的扩展图。在这一示意图520中，沿着水浓度轴530(ppm)和床长度轴532(按沿着床长度的归一化位置(例如，归一化床长度(z/L))示出了响应522、524、526和528。吹扫步骤的料流的流动沿着箭头534。响应522代表进入循环8秒，响应524代表进入循环12秒，响应526代表进入循环16秒，响应528代表进入循环20秒。这些响应示出了在吹扫步骤期间该床层的除水进展。另外，示意图540是示意图500中进行的吸附步骤的扩展图。在这一示意图540中，沿着水浓度轴550(ppm)和床长度轴552(归一化床长度z/L)示出了响应542、544、546和548。吹扫步骤的料流的流动沿着箭头554。响应542代表进入循环24秒，响应544代表进入循环32秒，响应546代表进入循环40秒，响应548代表进入循环48秒。另外，示意图540代表可利用的床长度的平均仅大约80％用于吸附。
图6A、6B和6C是与根据本发明技术实施方案的图4中的构造有关的示例性示意图600、620和640。特别地，这些示意图涉及示意图500中描述的循环时机。这些示意图600和620进一步描述了床层的水负荷，示意图640描述了对于变吸附方法的一个示例性循环中的步骤的时机的床层温度分布。在示意图600中，相对于床长度轴612(归一化床长度(z/L))沿着水负荷轴610(摩尔/千克(mol/kg))示出了水负荷响应602、604、606和608。响应602代表进入循环24秒，响应604代表进入循环32秒，响应606代表进入循环40秒，响应608代表进入循环20秒。这些响应602、604、606和608中的每一个是吸附步骤期间在各个时刻的水负荷。响应602、604、606和608中的每一个的吸附前沿的前缘在吸附剂床的后面区域中不增加。特别地，对于这一实施例，吸附剂床的产物区域是吸收剂床的从产物端到从吸附剂床的产物端的床长度的大约25％的部分并对于该产物区域维持有小于大约1摩尔/千克(mol/kg)的水负荷。
在示意图620中，相对于床长度轴632(z/L)沿着水负荷轴630(mol/kg)示出了水负荷响应622、624、626和628。响应622代表8秒，响应624代表12秒，响应626代表16秒，响应628代表20秒并示出了在吹扫步骤期间从吸附剂床的水负荷进展。如这一示意图620上所示，随着吹扫步骤从8秒的初始时间(例如，响应622)持续到在20秒(例如，响应628)时吹扫步骤的结束，水负荷减小。对于这一吹扫步骤的持续期，产物区域的水负荷(如图6A中限定那样)小于大约1mol/kg。
在这一构造中，吹扫步骤从吸附剂床除去水。例如，水的最高含量是在吸附步骤结束时(例如，响应608)，而水的最低含量是在吹扫步骤结束时(例如，响应628)。因而，吸附剂床的进料端上吸附的水的浓度是在吸附剂床的进料端处的响应608和在吸附剂床进料端处的响应628之间的差值除以响应608，这是大约40％(例如，(15mol/kg-9mol/kg)除以15mol/kg)。相应地，在吸附剂床进料端处吸附在吸附剂床上的水的浓度可以是在吸附步骤持续时间结束时吸附在吸附剂床进料端上的水的浓度的至少40％；可以是在吸附步骤持续时间结束时吸附在吸附剂床进料端上的水的浓度的至少30％或可以是在吸附步骤持续时间结束时吸附在吸附剂床进料端上的水的浓度的至少20％。
在示意图640中，相对于床长度轴652(z/L)沿着温度轴650(℉)示出了水负荷响应642、644、646和648。响应642代表进入循环8秒，响应644代表进入循环12秒，响应646代表进入循环16秒，响应648代表进入循环20秒。这些响应示出了在吹扫步骤期间吸附剂床的温度进展。如这一示意图640上所示，随着吹扫步骤从8秒的初始时间(例如，响应642)持续到在20秒吹扫步骤结束时(例如，响应648)，吸附剂床的温度增加。
另外，在另一个实施例中，构造可以包括与从天然气本体CO2去除的受控制冷区(Controlled Freeze ZoneTM(CFZ))方法集成。参见例如，美国专利申请号2009/0266107和2010/0018248。该冷冻受控制冷区是从含大量CO2的气体料流分离甲烷的冷冻蒸馏方法。该***包括在中间具有制冷区以促进CO2冻结和再熔融的回流脱甲烷塔，如本领域技术人员已知的那样。脱甲烷塔塔顶料流(例如，清洁蒸气甲烷料流)作为来自CFZ方法的脱甲烷塔的塔顶产物获得，而最终产物料流(例如，高压酸液体产物)作为塔底产物获得。CFZ回收***的进料中的任何较重质烃也作为塔底产物除去。对于这种方法，脱水在冷冻CFZ回收***的上游是必要的以确保水合物不在该冷冻设备中形成。
冷冻CFZ回收***的进料料流的脱水可以使用快速循环变吸附方法和单元以将这种料流脱水。在冷冻受控制冷区回收***中，可以使用各个步骤将料流脱水。例如，该步骤可以与图4的构造中使用的步骤相似。正如上面对于图4所指出的那样，吹扫料流可以在特定温度范围内提供，其可以是来自CFZ方法中的料流之一(例如蒸气甲烷料流)的一部分。这种吹扫料流可以在450psia-650psia的压力下提供。作为脱水方法步骤的实施例，初始将吸附剂床单元再加压，然后在吸附步骤中将进料料流脱水。在吸附步骤之后，让吸附剂床经历各个再生步骤。再生步骤包括一个或多个排放步骤，它们各自可以减少所述吸附剂床单元内的压力并且最终压力可以略微小于吹扫压力。在排放步骤之后，可以进行一个或多个吹扫步骤，其中每个吹扫步骤可以相对于进料料流流向按逆流流向提供。吹扫料流(其可以主要是甲烷料流)可以从吸附剂床除去污染物。在某些构造中，还可以将热添加到该方法中以进一步增强该方法。
在一个或多个实施方案中，材料可以包括负载在非吸附载体上的吸附剂材料。吸附剂材料的非限制性实施例可以包括氧化铝、微孔沸石、碳、阳离子沸石、高二氧化硅沸石、高度硅质有序化中孔材料、溶胶凝胶材料、铝磷和氧(ALPO)材料(主要含铝磷和氧的微孔和中孔材料)、硅铝磷和氧(SAPO)材料(主要含硅铝磷和氧的微孔和中孔材料)、金属有机骨架(MOF)材料(由金属有机骨架构成的微孔和中孔材料)和沸石咪唑化物(imidazolate)骨架(ZIF)材料(由沸石咪唑化物骨架构成的微孔和中孔材料)。其它材料包括用官能团官能化的微孔和中孔吸附剂。可以用于CO2除去的官能团的实施例可以包括伯、仲、叔胺及其它非给质子的碱性基团例如脒、胍和双胍。
在一个或多个实施方案中，吸附剂床单元可以用于从进料料流分离污染物。该方法可以包括让气态进料料流在进料压力下穿过具有吸附剂接触器的吸附剂床单元以从所述气态进料料流将一种或多种污染物分离而形成产物料流，其中所述吸附剂接触器具有第一部分和第二部分；中断所述气态进料料流的流动；进行减压步骤，其中所述减压步骤将所述吸附剂床单元内的压力减小；进行吹扫步骤，其中所述吹扫步骤将所述吸附剂床单元内的被吸附物的分压减小和其中所述吹扫步骤包括让吹扫料流流到第一部分和第二部分之间的中间吹扫分布区；进行再加压步骤，其中所述再加压步骤提高所述吸附剂床单元内的压力；和重复步骤a)至e)用于至少一个额外的循环。
另外，在一个或多个实施方案中，吸附剂床单元可以包括吸附剂床，该吸附剂床可以用于从气态混合物分离目标气体。该吸附剂通常由负载在非吸附载体或接触器上的吸附剂材料构成。此种接触器主要含有平行流动通道，其中所述接触器的开孔体积(排除流动通道)的20体积％，优选15体积％或更少是在大于大约20埃的孔隙内。流动通道呈接触器的下述部分：即其中如果在进料料流进入接触器的点或位置和产物料流离开接触器的点或位置之间施加稳态压力差，则气体流动。在接触器中，将吸附剂引入到流动通道的壁中。
在一个或多个实施方案中，本发明技术中的快速循环变吸附方法是快速循环变温吸附(RCTSA)和变压吸附(PSA)。对于RCTSA或组合的RCTSA和RCPSA，总循环时间典型地小于600秒，小于300秒，优选小于200秒，更优选小于100秒，甚至更优选小于60秒。
就所公开发明的原理可能应用的许多可能的实施方案而言，应认识到说明性实施方案仅仅是本发明的优选实施例，而不应被认为限制本发明的范围。

Claims (24)

1.从气态进料料流除去污染物的方法，所述方法包括：
a)进行一个或多个吸附步骤；其中所述一个或多个吸附步骤中的每一个包括让气态进料料流在进料压力和进料温度下穿过吸附剂床单元以从所述气态进料料流分离一种或多种污染物而形成产物料流；
b)进行一个或多个减压步骤，其中用每个相继的减压步骤将所述吸附剂床单元的压力减少预定量；
c)进行一个或多个吹扫步骤，其中所述一个或多个吹扫步骤中的每一个包括让吹扫料流进入所述吸附剂床单元，其中所述吹扫料流与所述进料料流的方向逆向流动，所述吹扫料流按所述进料温度以上至少50℉(27.8℃)且小于450℉(232.2℃)的温度提供且所述吹扫料流流量等于或小于所述进料料流流量的20摩尔％；
d)进行一个或多个再加压步骤，其中用每个相继的再加压步骤使所述吸附剂床单元内的压力随每个再加压步骤增加预定量；和
e)重复步骤a)-d)用于至少一个额外的循环，其中循环持续时间是大于1秒且少于600秒的时期。
2.权利要求1的方法，其中所述吹扫料流在200℉(93.3℃)-450℉(232.2℃)的范围中提供。
3.权利要求1的方法，其中所述吹扫料流在250℉(121.1℃)-380℉(193.3℃)的范围中提供。
4.权利要求1-3中任一项的方法，其中所述气态进料料流是含大于1体积％烃的含烃料流，基于所述气态进料料流的总体积。
5.权利要求1-4中任一项的方法，其中所述气态进料料流包含烃和H2O，其中所述H2O在0.2体积ppm至所述气态进料料流中的饱和水平的范围内。
6.权利要求1-4中任一项的方法，其中所述气态进料料流包含烃和H2O，其中所述H2O在100体积ppm至1500体积ppm的范围内。
7.权利要求1-6中任一项的方法，还包括让输入料流穿过污染除去单元以形成所述气态进料料流，其中所述污染除去单元配置用来将二氧化碳(CO2)水平降低到小于100ppm和将硫化氢(H2S)水平降低到小于4ppm。
8.权利要求1-7中任一项的方法，还包括将所述气态进料料流加热到水的露点以上。
9.权利要求8的方法，其中将所述气体进料料流加热到水的露点以上还包括：
让所述气态进料料流穿过第一换热器以降低所述气态进料料流的温度；
从所述气态进料料流带离H2O的一部分；和
让所述气态进料料流流到第二换热器以提高所述气态进料料流的温度。
10.权利要求1-9中任一项的方法，还包括：
让所述产物料流从所述吸附剂床单元流到液化天然气工艺单元；和
从所述LNG工艺单元分离溢料燃料料流以用作所述吹扫料流的至少一部分。
11.权利要求10的方法，还包括将来自LNG工艺单元的所述溢料燃料料流与沸出气体料流结合以形成所述吹扫料流。
12.权利要求1-11中任一项的方法，其中所述进料压力在400每平方英寸绝对磅数(psia)-1,400psia的范围中。
13.权利要求1-12中任一项的方法，其中所述循环持续时间是大于2秒且少于300秒。
14.权利要求1-13中任一项的方法，其中在所述吹扫步骤的持续时间结束时，吸附在吸附剂床上的水的浓度是在吸附步骤的持续时间结束时吸附在吸附剂床上的水的浓度的至少40％。
15.权利要求1-14中任一项的方法，其中所述吸附剂床单元包括吸附剂床，其中接近吸附剂床的产物端的产物区域的H2O负荷小于0.5摩尔/千克。
16.权利要求15的方法，其中所述产物区域可以是吸附剂床的从所述吸附剂床的产物端到床长度的25％的特定部分。
17.权利要求1-16中任一项的方法，其中所述吹扫料流可以包括等于或小于10摩尔％的所述进料料流中的甲烷。
18.从气态进料料流除去污染物的***，所述***包括：
吸附剂床单元，其配置用来从气态进料料流分离污染物和输出产物料流，其中所述气态进料料流在进料温度下提供；
液化天然气工艺单元，其配置用来接收所述产物料流并将所述产物料流分离成最终产物料流和溢料燃料料流；和
一个或多个吹扫单元，其配置用来为所述吸附剂床单元提供吹扫料流，其中所述吹扫料流从所述产物料流的一部分、溢料燃料料流、沸出气体料流和它们的任何组合之一提供；和其中在所述进料温度以上至少50℉(27.8℃)且小于450℉(232.2℃)的温度下提供吹扫料流并且所述吹扫料流含有等于或小于20摩尔％的所述气态进料料流中的烃。
19.权利要求18的***，还包括配置用来接收输入料流和形成气态进料料流的污染除去单元，其中所述污染除去单元配置用来将二氧化碳(CO2)水平降低到小于100ppm和将硫化氢(H2S)水平降低到小于4ppm。
20.权利要求18-19中任一项的***，还包括：
第一换热器,其配置用来接收所述气态进料料流、降低所述气态进料料流的温度、和从所述气态进料料流带离H2O的一部分；和
第二换热器，其使来自所述第一换热器的所述气态进料料流的温度提高。
21.权利要求18-20中任一项的***，还包括管道，其配置用来将来自LNG工艺单元的经压缩溢料燃料料流与沸出气体料流结合以形成所述吹扫料流。
22.权利要求18-21中任一项的***，还包括吹扫换热器，其配置用来在吹扫步骤期间从所述吸附剂床单元接收吹扫输出料流、将所述吹扫输出料流的温度降低、和从所述吹扫输出料流带离H2O的一部分。
23.权利要求18-22中任一项的***，其中所述产物料流的水含量可以小于1体积ppm。
24.权利要求18-23中任一项的***，其中所述一个或多个吹扫单元包括配置用来将溢料燃料料流、沸出气体料流和它们的任何组合之一压缩的一个或多个压缩机。
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