通過直接接觸熱交換將可冷凝蒸氣與氣體分離的系統(tǒng)和方法

通過直接接觸熱交換將可冷凝蒸氣與氣體分離的系統(tǒng)和方法
【專利摘要】將可冷凝蒸氣如二氧化碳與工藝流(112)中的輕質(zhì)氣體分離。系統(tǒng)和方法采用直接交換熱交換器(116)，以從工藝流中凝華可冷凝蒸氣。可冷凝蒸氣通過在直接接觸熱交換器中直接接觸熱交換液體(119)進(jìn)行冷凝，同時(shí)來自工藝流中的未冷凝輕質(zhì)氣體形成分離的輕質(zhì)氣體流(124)。分離的輕質(zhì)氣體流可用于同流式熱交換器(114)中，以冷卻工藝流。
【專利說明】通過直接接觸熱交換將可冷凝蒸氣與氣體分離的系統(tǒng)和方
法
[0001]相關(guān)申請(qǐng)的交叉引用
[0002]本申請(qǐng)要求2010年11月19日提交的、名稱為METHOD FOR A DESUBLIMATING HEATEXCHANGER(用于凝華熱交換器的方法)的美國臨時(shí)專利申請(qǐng)系列號(hào)61/458，229的權(quán)益和優(yōu)先權(quán)，其通過引用以其整體并入本文。
【背景技術(shù)】
[0003]1.發(fā)明領(lǐng)域
[0004]本發(fā)明涉及通過凝華熱交換液體中的可冷凝蒸氣將可冷凝蒸氣(例如，二氧化碳)與氣體分離的系統(tǒng)和方法。
[0005]2.相關(guān)技術(shù)
[0006]將二氧化碳與其它輕質(zhì)氣體(light gas)如氮?dú)夥蛛x對(duì)于實(shí)現(xiàn)二氧化碳隔離是重要的。來自常規(guī)發(fā)電站的煙道氣一般包括大約4%(vol.)至大約16%(vol.)的二氧化碳(CO2) 0通常認(rèn)為，該CO2代表了增加溫室效應(yīng)和全球變暖的一個(gè)重要因素。因此，對(duì)于從煙道氣中捕獲CO2以便產(chǎn)生可被容易運(yùn)輸至安全儲(chǔ)存位置或進(jìn)一步應(yīng)用的CO2濃縮流的有效方法存在明確的需要。CO2已經(jīng)通過幾種技術(shù)從氣流中捕獲，其中最普通的技術(shù)包括:氧燃燒(oxyfiring)，其中將氧氣從空氣中分離，然后燃燒，產(chǎn)生基本上純的CO2流出物；吸收，其中CO2被選擇性地吸收至液體溶劑中；膜，其中CO2通過半滲透塑料或陶瓷膜被分離；吸附，其中CO2通過吸附在特別設(shè)計(jì)的固體顆粒表面上被分離；化學(xué)循環(huán)，其中碳氧化和氧氣消耗通過反復(fù)利用的介質(zhì)一般是金屬氧化物進(jìn)行物理上分離；以及低溫/高壓方法，其中分離通過冷凝CO2完成。
[0007]在過去，從煙道氣中捕獲CO2的最經(jīng)濟(jì)的技術(shù)是用胺溶液洗滌煙道氣以吸收C02。該技術(shù)已經(jīng)商業(yè)上用于小規(guī)模工藝以及用于專用工藝。但是，其在公用工程規(guī)模發(fā)電站中還未被采用，這主要是因?yàn)樵摷夹g(shù)引起發(fā)電站總效率的不可接受的降低。
[0008]已經(jīng)受到顯著關(guān)注的另一類型方法是氧燃燒系統(tǒng)，其使用通常在空分裝置(ASU)中產(chǎn)生的氧氣而不是空氣用于燃燒主要的燃料。常常將氧氣與惰性氣體如再循環(huán)的煙道氣混合以保持燃燒溫度處于適合的水平。氧燃燒過程產(chǎn)生具有CO2、水和O2作為主要成分的煙道氣；C02濃度一般大于按體積計(jì)大約70%。煙道氣的處理常常需要從煙道氣中去除空氣污染物和非冷凝氣體(如氮?dú)?，然后將CO2送至儲(chǔ)存。
[0009]簡述
[0010]本公開描述了用于在連續(xù)分離過程中將可冷凝蒸氣(例如，二氧化碳)與其它氣體(例如，氮?dú)?分離的系統(tǒng)和方法。該分離過程在直接接觸熱交換器(DCHE)中執(zhí)行，其中包括可冷凝蒸氣和輕質(zhì)氣體的工藝流與非揮發(fā)性熱交換液體(NVHEL)進(jìn)行直接物理接觸。NVHEL冷卻工藝流并且引起可冷凝蒸氣凝華，從而形成凝華的固體和NVHEL的漿液。可冷凝蒸氣的凝華還引起蒸氣與工藝流中的其它氣體分離，從而形成分離的輕質(zhì)氣體流。
[0011]冷凝的固體例如但不限于二氧化碳可在升高的壓力下融化以形成液體，并且使用任何適合的隔離技術(shù)進(jìn)行隔離。例如，分離的二氧化碳可被注入至含水層或其它合適的地下儲(chǔ)層。
[0012]DCHE的使用在凝華工藝流和NVHEL之間產(chǎn)生交換熱的凈效果。但是，其完成這個(gè)而沒有使任何固定的傳熱表面結(jié)霜、結(jié)垢或任何其它抑制傳熱的質(zhì)量積聚。NVHEL是在其上可積聚固體的傳熱表面，并且其在液體中的積聚不會(huì)阻止DCHE中的傳熱。DCHE中的熱交換是通過直接接觸，并且比通過熱交換壁更加有效。而且，DCHE是液體-流體系統(tǒng)，其比其它熱交換器中的氣體-流體系統(tǒng)尤其更加有效。
[0013]用于將可冷凝蒸氣與氣體分離的方法的一個(gè)實(shí)施方式包括下列步驟中的全部或一部分:(i)提供包括可冷凝蒸氣和輕質(zhì)氣體的工藝流；(ii)使用一個(gè)或多個(gè)上游熱交換器冷卻工藝流；(iii)提供包括容器內(nèi)的NVHEL的DCHE單元；(iv)將工藝流從一個(gè)或多個(gè)上游熱交換器引入下游DCHE，并且使工藝流與NVHEL直接物理接觸；(V)在足以引起工藝流中的可冷凝蒸氣的至少一部分在NVHEL中凝華的溫度和壓力下冷卻工藝流，以形成冷卻的輕質(zhì)氣體和包括凝華固體和NVHEL的漿液；(vi)通過輕質(zhì)氣體出口從容器中移出分離的輕質(zhì)氣體流；以及(vii)將凝華的固體的至少一部分與NVHEL分離。
[0014]在一個(gè)實(shí)施方式中，方法包括使用包括二氧化碳的工藝流，并且在適于凝華二氧化碳的溫度和壓力下操作分離單元。
[0015]在一個(gè)實(shí)施方式中，DCHE下游的NVHEL通過再循環(huán)熱交換器(RHE)，并且再循環(huán)至DCHE0 NVHEL的一些部分將在DCHE中潛在地蒸發(fā)。蒸發(fā)的量可通過選擇具有最小蒸氣壓的液體或液體混合物最小化。適合的非揮發(fā)性材料的實(shí)例包括甲基環(huán)戊烷、甲基環(huán)己烷、各種氟化烴或氯化烴，或在系統(tǒng)操作的溫度下具有低蒸氣壓、具有易控制粘度并且不具有材料不相容性或不易控制的健康和安全問題的任何化合物或溶液，包括這些化合物的混合物。
[0016]在一個(gè)實(shí)施方式中，漿液流中的NVHEL通過澄清器首先與固體分離。該分離可通過過濾、水力旋流器、沉降或適于流體的任何其它固體分離技術(shù)完成。然后，澄清的NVHEL在RHE中冷卻并且再循環(huán)至DCHE。
[0017]在凝華過程中，凝華固體和輕質(zhì)氣體的一些部分可在NVHEL中溶解。但是，這在連續(xù)再循環(huán)系統(tǒng)中不是問題，因?yàn)镹VHEL將在溶解的材料中快速飽和，此時(shí)應(yīng)該不存在進(jìn)一步的溶解。而且，溶解的材料幾乎沒有機(jī)會(huì)在RHE的熱交換表面上沉淀，因?yàn)槌吻宓腘VHEL比RHE更加溫?zé)?，并且因此通常比RHE環(huán)境具有用于溶解的氣體和固體的更高負(fù)荷能力。NVHEL應(yīng)當(dāng)遠(yuǎn)離再循環(huán)熱交換器表面溶解材料，而不是將其沉淀在那里。
[0018]本文所述的系統(tǒng)和方法可在適于凝華工藝流中的可冷凝蒸氣的任何溫度和壓力下執(zhí)行。在一個(gè)實(shí)施方式中，容器中的壓力可相對(duì)地低，如大約環(huán)境壓力至大約15psig或環(huán)境壓力至大約IOpsig或環(huán)境壓力至大約5psig范圍內(nèi)的壓力。在可選的實(shí)施方式中，壓力可相對(duì)地高如在大約5psig至大約IOOOpsig或更大或20psig至大約500psig的范圍內(nèi)。在二氧化碳將被凝華的情況中，選擇顆粒床內(nèi)的溫度和壓力，以將氣體二氧化碳直接轉(zhuǎn)化為固體二氧化碳。用于凝華二氧化碳的溫度和壓力是眾所周知的。例如，在環(huán)境壓力下，15%vol濃度下的二氧化碳蒸氣在小于大約-100°C的溫度下從煙道氣中凝華，并且90%的CO2在大約_120°C的溫度下凝華。
[0019]在一個(gè)實(shí)施方式中，DCHE可在適度壓力或高壓下操作，以使離開的輕質(zhì)氣體流可通過下游的膨脹被進(jìn)一步冷卻。在一個(gè)實(shí)施方式中，具有大于大約5ps1、大于大約20psi或大于大約50psi壓力的分離的輕質(zhì)氣體流被膨脹，以將分離的輕質(zhì)氣體流冷卻至RHE溫度以下的溫度。分離的輕質(zhì)氣體流的這種額外冷卻可引起分離的輕質(zhì)氣體流中可冷凝蒸氣的殘余部分的凝華。固體分離設(shè)備可去除在分離的輕質(zhì)氣體流的膨脹中形成的固體。然后，冷卻的分離的輕質(zhì)氣體流可傳遞至RHE，從而從再循環(huán)的NVHEL吸取熱。
[0020]在可選的實(shí)施方式中，RHE可使用除分離的輕質(zhì)氣體流之外的裝置冷卻。在一個(gè)實(shí)施方式中，RHE可包括制冷單元。在該實(shí)施方式中，可使用能夠達(dá)到用于冷卻RHE中的NVHEL的期望溫度的任何制冷系統(tǒng)。在優(yōu)選的實(shí)施方式中，這種制冷系統(tǒng)包括熱聯(lián)合(heatintegration)和回收，以使冷卻制冷劑的大部分通過加熱返回的煙道氣和純化的CO2流進(jìn)行。
[0021]本文所述的系統(tǒng)和方法還可包括在分離單元的上游執(zhí)行的冷卻步驟。在將工藝流引入容器之前，一般使用一個(gè)或多個(gè)熱交換器冷卻工藝流。在最初的冷卻過程中，可干燥工藝流以去除水。在一個(gè)實(shí)施方式中，工藝流使用一個(gè)或多個(gè)同流式上游熱交換器——其使用分離的輕質(zhì)氣體流冷卻工藝流一冷卻。分離的輕質(zhì)氣體流可用于同流式再循環(huán)熱交換器或同流式上游熱交換器，其直接地在DCHE容器的上游或下游，或可選地，分離的輕質(zhì)氣體流可在進(jìn)入同流式熱交換器前首先通過膨脹裝置冷卻。
[0022]在一個(gè)實(shí)施方式中，從漿液中分離的固體被用于一個(gè)或多個(gè)上游熱交換器，以冷卻工藝流。
[0023]增加NVHEL和工藝流之間的接觸表面積可促進(jìn)凝華。為了最大化接觸表面積，本文所述系統(tǒng)可包括DCHE容器，其具有填充材料如篩網(wǎng)、盤形物或變化形狀的三維物件。
[0024]該系統(tǒng)還可包括內(nèi)部噴灑器，其在DCHE中產(chǎn)生NVHEL小滴。在可選的實(shí)施方式中，DCHE包括與工藝流流體連通的噴灑器，其產(chǎn)生工藝流氣泡，并且將循環(huán)的大量NVHEL噴射在DCHE容器中。
[0025]系統(tǒng)的一個(gè)實(shí)施方式在完成NVHEL與CO2分離之前加壓NVHEL-CO2漿液，其利用了漿液通過泵的能力。漿液泵將固體壓力增加至其可融化以形成液體的點(diǎn)，并且促進(jìn)固體CO2顆粒與NVHEL分離。
[0026]本發(fā)明的這些以及其它目標(biāo)和特征將通過下列描述和所附權(quán)利要求變得更加明顯，或可通過下文中闡述的發(fā)明實(shí)踐而了解。
[0027]附圖簡述
[0028]為了進(jìn)一步闡明本發(fā)明的上述以及其它優(yōu)勢和特征，本發(fā)明更加具體的描述將參考所附附圖中圖解的其【具體實(shí)施方式】進(jìn)行。應(yīng)理解，這些附圖僅描述了發(fā)明的圖解的實(shí)施方式，并且因此不被認(rèn)為限制其范圍。將通過使用附圖以其它特征和細(xì)節(jié)描述和說明本發(fā)明，其中:
[0029]圖1是用于將可冷凝蒸氣與氣體分離的系統(tǒng)的示意圖；
[0030]圖2是用于冷卻DCHE容器上游的工藝流的上游熱交換器的示意圖；
[0031]圖3是用于從分離容器上游的工藝流中去除雜質(zhì)的熱交換器的示意圖；
[0032]圖4圖解了圖1系統(tǒng)的DCHE容器；
[0033]圖5圖解了圖4的DCHE容器的分布設(shè)備的俯視圖；
[0034]圖6圖解了圖1系統(tǒng)的DCHE容器的可選設(shè)計(jì)；
[0035]圖7是圖6的DCHE容器的分流器的俯視圖；和[0036]圖8是用于使用升高的壓力將可冷凝蒸氣與氣體分離的系統(tǒng)的示意圖。
[0037]圖9顯示了分別具有逆流、并流和混合流構(gòu)造的多級(jí)系統(tǒng)的示意圖，每個(gè)系統(tǒng)包括三個(gè)DCHE。
【具體實(shí)施方式】
[0038]本文公開的系統(tǒng)和方法涉及從工藝流(例如，來自發(fā)電站的煙道氣)中分離可冷凝蒸氣體以形成固體和分離的輕質(zhì)氣體流。例如，在一個(gè)實(shí)施方式中，方法和系統(tǒng)涉及從包括二氧化碳和氮?dú)獾墓に嚵髦欣淠趸颊魵狻１景l(fā)明的系統(tǒng)和方法可用于分離在包括氣體混合物的任何工藝流中的可冷凝蒸氣，可容易使氣體混合物中的一些相變。該工藝流一般在烴加工裝置中或有時(shí)在用于生命維持的CO2敏感的空氣供應(yīng)源中產(chǎn)生。產(chǎn)生適用于本發(fā)明中的流的烴加工裝置和呼吸用空氣供應(yīng)系統(tǒng)的實(shí)例包括但不限于燒煤發(fā)電站、燒天然氣發(fā)電站、燒燃油發(fā)電站、燒生物質(zhì)發(fā)電站、石化工藝流、限制或封閉空間如水下中的環(huán)境空氣、天然氣純化流、合成氣或來自氣化器的爐煤氣流、來自固定的和可能移動(dòng)的汽油、柴油或類似發(fā)動(dòng)機(jī)的排氣以及黑液燃燒或氣化流出物。盡管本發(fā)明用于來自發(fā)電站的工藝流特別有利，但是本發(fā)明也可用于其它工業(yè)工藝流，如但不限于來自石油精制的工藝流。
[0039]1.用于冷凝蒸氣的系統(tǒng)
[0040]圖1是用于將可冷凝蒸氣與氣體分離的例證性系統(tǒng)100的示意圖。系統(tǒng)100包括與同流式上游熱交換器(UHE)單元114流體連通的工藝流112。UHEl 14將工藝流冷卻至存在于工藝流112中的可冷凝蒸氣的冷凝點(diǎn)附近的溫度。工藝流112流動(dòng)至包括直接接觸區(qū)118 的 DCHE 容器 116。
[0041]DCHE 容器 116 包括 NVHEL 入口 120，NVHELl 19 通過它進(jìn)入 DCHE 容器 116。NVHEL可以是具有可冷凝蒸氣的霜凍點(diǎn)或露點(diǎn)以下的凝固點(diǎn)并且是非揮發(fā)性或具有低揮發(fā)性的任何流體。低揮發(fā)性最下化逸出DCHE的NVHEL的量，其最小化環(huán)境影響和成本。適合的NVHEL的實(shí)例包括但不限于甲基環(huán)戊烷、甲基環(huán)己烷、各種氟化烴或鹵化烴，或在系統(tǒng)操作溫度下具有低蒸氣壓、具有可控制的粘度并且不具有材料不相容性或不可控制的健康和安全問題的任何化合物或溶液，包括這些化合物的混合物。當(dāng)可獲得時(shí),這些化合物的離子溶液尤其有用。
[0042]在容器116中的直接接觸區(qū)118內(nèi)，工藝流112與比工藝流112中的可冷凝蒸氣的凝華溫度更冷的NVHELl 19直接接觸，引起工藝流和NVHEL之間的熱交換，并且導(dǎo)致在NVHEL的接觸表面上可冷凝蒸氣的凝華。隨著可冷凝蒸氣凝華并形成固體，流112中的輕質(zhì)氣體與固體分離并且形成輕質(zhì)氣體流124，其然后經(jīng)由輕質(zhì)氣體流出口 125離開NVHEL容器116。
[0043]包括冷凝的固體和NVHEL的漿液通過固體/NVHEL出口 121作為漿液流122離開DCHE容器116。此時(shí)，加壓泵(未顯示)可被并入過程中以將漿液壓力提高至任意高的水平，其(a)加壓固體，(b)促進(jìn)在澄清器中的固體-液體分離，以及(c)驅(qū)動(dòng)NVHEL的再循環(huán)。固體/NVHEL出口 121下游的固體分離設(shè)備130 (例如，澄清器)將漿液流122中的固體與NVHEL分離，形成固體流131和澄清的NVHEL流132。然后，固體流131和/或輕質(zhì)氣體流124被用于冷卻同流式上游熱交換器(UHE) 114中的工藝流112，并且澄清的NVHEL流132通過再循環(huán)熱交換器(RHE) 140被冷卻，然后被再循環(huán)至DCHE容器116。未在圖1中顯示，但是等同可行的是其中澄清器130在UHE114下游和RHE140上游的構(gòu)造。
[0044]輕質(zhì)氣體流124和任選地冷凝相流131冷卻可被凝華或者不被凝華的UHEl 14中的工藝流112，或(未顯示但是等同有效的)類似于140但處于多級(jí)系統(tǒng)的先前階段的熱交換器內(nèi)的NVHEL。使用輕質(zhì)氣體流124和/或固體流131冷卻工藝流112回收在冷卻流112中消耗的一部分能量。該同流過程提高了整個(gè)分離系統(tǒng)100的效率。優(yōu)選實(shí)施方式包括流124和131以它們之間的小溫差冷卻進(jìn)入流。流124和131的各部分可被分離，以在整個(gè)過程的不止一個(gè)區(qū)域內(nèi)提供冷卻。
[0045]UHE114可包括任意數(shù)量的壓縮機(jī)、熱交換器、風(fēng)扇、泵、導(dǎo)管、閥、傳感器、控制器和本領(lǐng)域內(nèi)已知的用于冷卻、干燥、加壓和/或純化工藝流的其它組件。
[0046]圖1中顯示的構(gòu)造可被分級(jí)許多次，以在一定的溫度范圍內(nèi)提供雜質(zhì)的有效去除，優(yōu)選進(jìn)行這種分級(jí)，以使所有熱交換逆流進(jìn)行或任選地一些或所有熱交換器錯(cuò)流或并流進(jìn)行。
[0047]圖2提供了包括多個(gè)熱交換器214、216、218、220和222的UHE114的例證性實(shí)例。工藝流112 —般首先在一個(gè)或多個(gè)冷卻過程中使用水和/或空氣冷卻至環(huán)境溫度。例如，水219可用于使用本領(lǐng)域內(nèi)已知技術(shù)冷卻工藝流112，以在環(huán)境溫度下產(chǎn)生工藝流112a。在第二熱交換器中，工藝流112a在第二熱交換器216中被冷卻，以冷凝可能存在于工藝流112a中的任何水蒸氣，從而產(chǎn)生干燥工藝流112b。工藝流112a可使用任何適合的冷卻劑221冷卻。冷卻劑221可從流122和/或124中提供或使用本領(lǐng)域內(nèi)已知的非同流式技術(shù)冷卻，例如但不限于外部制冷單元、鹽溶解技術(shù)或分級(jí)冷卻技術(shù)。第二熱交換器216可包括用于去除冷凝水124的分離器。剩余的水可使用吸收、鹽溶解、加壓或本領(lǐng)域內(nèi)已知的其它技術(shù)去除。
[0048]干燥工藝流112b可被引入任何數(shù)量或任何類型的熱交換器中，以將工藝流冷卻至剛好在工藝流中存在的可冷凝蒸氣(即，待通過漿液移出的可冷凝蒸氣)的冷凝溫度以上的溫度。圖2顯示了工藝流112b，其被引入至一系列的熱交換器218、220和222，并且然后通過風(fēng)扇223。在工藝流處于環(huán)境溫度附近或以上的工藝中風(fēng)扇或壓縮機(jī)223可選地并且優(yōu)選地較早布置。熱交換器218、220和222將工藝流冷卻至剛好在可冷凝蒸氣的霜凍點(diǎn)或露點(diǎn)以上的溫度，并且風(fēng)扇223提供用于將冷卻的工藝流注入分離容器116的壓力。
[0049]在一個(gè)實(shí)施方式中，冷卻的分離的輕質(zhì)氣體流124作為制冷劑流動(dòng)通過熱交換器218和220。在熱交換器218和220中，分離的輕質(zhì)氣體流124可與工藝流112b的流動(dòng)相逆地流動(dòng)，以使流124的較冷部分(即上游部分)與流112b的較冷部分(即下游部分)熱接觸。
[0050]使輕質(zhì)氣體流124與干燥工藝流112b的流動(dòng)相逆地流動(dòng)可使用達(dá)到期望的冷卻效率所需的任何數(shù)量的熱交換器通過多個(gè)熱交換器完成。可選地或除了使用多個(gè)熱交換器，輕質(zhì)氣體流124和工藝流112b可在單個(gè)熱交換器內(nèi)具有逆流。例如，包括具有工藝流112b和輕質(zhì)氣體流124的平行流動(dòng)的導(dǎo)管的熱交換器可包括逆向流動(dòng)。逆流可以是有益的，以確保輕質(zhì)氣體流124的最冷部分與最冷干燥工藝流112b進(jìn)行接觸，其使得使用輕質(zhì)氣體流124作為制冷劑能夠達(dá)到工藝流112b的最低溫度。
[0051]在UHE114中使用冷卻的分離的輕質(zhì)氣體流124作為冷卻劑回收在冷卻氣體以形成輕質(zhì)氣體流124中消耗的能量。因?yàn)闊崃W(xué)定律使任何封閉系統(tǒng)不能達(dá)到100%效率，并且因?yàn)榕c冷凝工藝流的組分有關(guān)的凝華/冷凝的潛熱必須從系統(tǒng)中去除，工藝流112或NVHEL的額外冷卻在某些情況下在系統(tǒng)100中是需要的，以達(dá)到用于冷凝蒸氣的期望的低溫。如果需要，外部冷卻的一部分可在容器116之前提供以在容器116的入口處達(dá)到工藝流112的期望溫度。
[0052]上游熱交換器(UHE) 114也可包括一個(gè)或多個(gè)熱交換器，以利用凝華的固體流131來冷卻工藝流112。固體流131可被融化和/或加熱以冷卻上游熱交換器222中的工藝流。在例證性實(shí)施方式中，上游熱交換器222在熱交換器220下游冷卻工藝流112。在可選的實(shí)施方式中，固體流131可用于使用輕質(zhì)氣體流124作為冷卻劑的同流式熱交換器(例如,熱交換器218和220)上游的熱交換器中。固體流131也可用于任何數(shù)量的熱交換器，以提供期望的冷卻效率。
[0053]UHE114也可被配置來在容器116之前去除一種或多種不同類型的雜質(zhì)。由于使用天然產(chǎn)品如煤和石油來產(chǎn)生工藝流，雜質(zhì)常常在工藝流中發(fā)現(xiàn)。在一個(gè)實(shí)施方式中，工藝流可包括但不限于汞、NOx, Sox、HC1、殘留水分、這些的組合以及任何已知存在于工業(yè)工藝流中的其它雜質(zhì)。
[0054]雜質(zhì)可通過在期望的溫度和壓力下在熱交換器中冷凝雜質(zhì)被去除。任何數(shù)量的熱交換器和/或壓縮機(jī)和/或分離裝置可用于冷凝不純的蒸氣，并將它們從工藝流112b中分離以產(chǎn)生純化的干燥工藝流。用于熱交換器中的冷卻劑可以是分離的輕質(zhì)氣體流124、固體流131或來自外部制冷單元或相當(dāng)功能的裝置的冷卻劑。雜質(zhì)的分離可通過選擇合適的溫度和壓力執(zhí)行，在該溫度和壓力下雜質(zhì)將冷凝并且其它可冷凝蒸氣(例如，CO2)不會(huì)冷凝?？蛇x地，雜質(zhì)可在容器116中與CO2 —起冷凝，并且任選地隨后在過程中被去除。本領(lǐng)域那些技術(shù)人員熟知冷凝一般在工藝流中發(fā)現(xiàn)的雜質(zhì)所需的溫度和壓力。這些雜質(zhì)包括但不限于硫和氮的氧化物(S02、SO3> NO、NO2)、處于凍結(jié)溫度以下的水、鹵化的氣體(HC1、HgClx)、汞、砷化合物以及煙道氣共有的并且操作、健康或環(huán)境關(guān)注的其它雜質(zhì)。通常地，當(dāng)顆?；虮砻娴臏囟忍幱谶@些化合物的霜凍點(diǎn)或露點(diǎn)或以下時(shí)，這些化合物凝華或冷凝。當(dāng)這些化合物作為混合物的組分存在時(shí)，這些化合物的實(shí)際凝華點(diǎn)和凝固點(diǎn)以復(fù)雜的但對(duì)于混合物熱力學(xué)領(lǐng)域的技術(shù)人員眾所周知的方式強(qiáng)烈取決于混合物組成。
[0055]圖3圖解了可用于去除雜質(zhì)的系統(tǒng)100的子系統(tǒng)310。子系統(tǒng)310包括用于輸送工藝流112b的導(dǎo)管，其可連接至任選的壓縮機(jī)334和熱交換器/分離器328。壓縮機(jī)334任選地可將干燥工藝流112b壓縮至用于冷凝流112b中的雜質(zhì)的期望壓力。冷卻劑330被用于熱交換器328中，以將干燥工藝流112b冷卻至適于冷凝一種或多種雜質(zhì)以形成液體雜質(zhì)流332的溫度。液體雜質(zhì)流從熱交換器/分離器328中收回，以產(chǎn)生純化的工藝流112c。然后，純化的工藝流112c可被進(jìn)一步加工以去除其它雜質(zhì)、冷卻至更低的溫度和/或引入容器116中。液體雜質(zhì)流332可被進(jìn)一步加工為期望的產(chǎn)品和/或被處理和/或用于在進(jìn)行分離(即，在同流式熱交換器過程中)的上游冷卻工藝流112。
[0056]雜質(zhì)可在容器116之前從工藝流112b中冷凝和去除，以最小化將一般被隔絕的固體流131中的雜質(zhì)濃度，并且最小化將一般地排至大氣中的分離的輕質(zhì)氣體流124中的雜質(zhì)濃度。
[0057]在一個(gè)實(shí)施方式中，系統(tǒng)100可在容器116上游包括一個(gè)或多個(gè)壓縮機(jī)。壓縮機(jī)的使用可減小工藝流的體積，從而使其更容易處理大流量。壓縮機(jī)和熱交換器的數(shù)目可部分取決于分離系統(tǒng)100的期望的操作壓力。在期望環(huán)境壓力或相對(duì)低的壓力(例如，環(huán)境壓力至IOpsi)的情況中，一個(gè)壓縮機(jī)或甚至僅僅沖衆(zhòng)泵(fan pump)對(duì)于維持壓力可能是足夠的。在期望高壓(例如，幾十psi至幾百psi)的情況中，多個(gè)壓縮機(jī)或壓縮機(jī)級(jí)一其任選地具有多級(jí)和級(jí)間冷卻和熱交換器一可用于同流式熱交換器單元114中。用于高壓的分級(jí)壓縮機(jī)/熱交換器系統(tǒng)提高了冷卻和壓縮工藝流的效率。
[0058]在一個(gè)實(shí)施方式中，容器中的壓力可相對(duì)地低，如大約環(huán)境壓力至大約15psi或環(huán)境壓力至大約IOpsi或環(huán)境壓力至大約5psi范圍內(nèi)的壓力。在可選的實(shí)施方式中，壓力可相對(duì)地高如大約5psi至大約IOOOpsi或更大、或20psi至大約500psi范圍內(nèi)。
[0059]包含于流131中的剩余NVHEL可在固體融化后通過從富CO2相中傾析富NVHEL相、通過使用壓濾機(jī)過濾或通過這種分離的領(lǐng)域內(nèi)技術(shù)人員已知的其它固體-液體或液體-液體分離過程進(jìn)行分離。
[0060]圖2和3圖解了其中工藝流112被純化、冷卻和加壓以引入容器116中的實(shí)施方式的實(shí)例。本領(lǐng)域技術(shù)人員將認(rèn)識(shí)到工藝流內(nèi)的具體設(shè)備和順序可不同于圖2和3中描述的，同時(shí)仍執(zhí)行可用于本發(fā)明系統(tǒng)的功能。
[0061]圖4以其它細(xì)節(jié)圖解了 DCHE單元400的一個(gè)實(shí)施方式。DCHE包括容器116、容器116內(nèi)的直接接觸區(qū)118、NVHEL入口 120、工藝流入口 410、輕質(zhì)氣體出口 125和固體/NVHEL出口(121)。容器116的大小形成為并構(gòu)造為保持漿液具有合適體積以處置待處理工藝流的體積。一般地，容器116的大小與氣流的體積流速成比例地變化，氣流的體積流速在一種應(yīng)用與另一種應(yīng)用之間廣泛地不同。與該技術(shù)相關(guān)的尺寸在Icm至許多米或幾十米范圍內(nèi)。但是，直徑可取決于容器的數(shù)目和待處理工藝流的體積而變化。在一個(gè)實(shí)施方式中，容器的直徑可在大約0.1m至大約50m或大約Im至大約20m范圍內(nèi)。容器橫截面一般地大約與工藝體積流速成比例地增加。圖中表示的圖解的NVHEL霧化或噴灑是任選的。包括直接注入漿液118中的可選注入技術(shù)也是等同有效的并且在一些情況中是優(yōu)選的。
[0062]容器116可具有適于容納漿液和直接接觸區(qū)的任何形狀。一般的形狀包括具有矩形或圓形橫截面的柱形容器。具有圓形橫截面的容器在涉及高壓的情況中可能是有利的。
[0063]工藝流入口 410連接至分布設(shè)備420。引入工藝流入口 410的氣體通過分布設(shè)備420被分布，分布設(shè)備420起歧管的作用以將大量氣體傳輸至直接接觸區(qū)118，其具有適當(dāng)氣泡大小和足夠的流阻，以防止NVHEL的回流。
[0064]如圖5中顯示的，適合的分布設(shè)備420包括多個(gè)噴嘴510，其提供用于將工藝流注入直接接觸區(qū)118的期望模式和壓力?？墒褂镁哂卸鄠€(gè)噴嘴的任何分布設(shè)備，只要噴嘴的大小、構(gòu)造和間距適于獲得使期望流動(dòng)通過直接接觸區(qū)118所需的工藝流的分布和壓力。例如，分布設(shè)備420可具有以各種具體設(shè)計(jì)包括篩子、泡罩、噴灑器以及相關(guān)設(shè)計(jì)的具有大約2mm至大約5cm范圍的直徑的噴嘴，并且包括大約1%覆蓋度至大約90%覆蓋度范圍的噴嘴密度。
[0065]如由圖5指出的，DCHC容器116具有矩形橫截面，但是其可具有由因素如操作環(huán)境、期望壓力等要求的形狀。
[0066]—般地,分布設(shè)備420被布置在容器116底部附近。一般地,輕質(zhì)氣體出口 125在容器116頂部附近(即，在操作過程中在直接接觸區(qū)118上方)，以使工藝流的流動(dòng)延伸通過直接接觸區(qū)118。[0067]容器116包括NVHEL入口 120和固體/NVHEL出口 121，以將NVHEL加入容器116和從容器116中去除固體或NVHEL。一般地，固體/NVHEL出口位于床的底部附近，并且NVHEL入口位于容器的頂部附近和/或在使用過程中在直接接觸區(qū)118的頂部附近。
[0068]在該實(shí)施方式中，在通過NVHEL入口 120進(jìn)入后，NVHEL積聚并且在直接接觸區(qū)118中、一般地在容器116的下部分中形成大量(a reservoir of)NVHEL，浸沒分布設(shè)備420。分布設(shè)備420將工藝流氣體引導(dǎo)至直接接觸區(qū)，形成氣泡并且噴射NVHEL。工藝流氣體和NVHEL之間的直接接觸冷卻工藝流并且使可冷凝蒸氣凝華，在NVHEL中形成固體。工藝流中的輕質(zhì)氣體與冷凝的蒸氣分離,形成輕質(zhì)氣體流124，其通過輕質(zhì)氣體出口 125離開容器116。固體和NVHEL形成漿液122，其通過固體/NVHEL出口 121離開容器116。
[0069]固體/NVHEL出口 121可任選地包括螺旋輸送機(jī)或泵440，以促進(jìn)固體從容器116移出。但是，可使用從容器中移出固體的其它已知機(jī)構(gòu)。也取決于直接接觸區(qū)118中的固體/NVHEL的比例和漿液的粘度，現(xiàn)行的移出機(jī)構(gòu)可能不總是需要。
[0070]使用工藝流氣體來噴射NVHEL增加了兩個(gè)相之間的接觸表面積，從而增加兩個(gè)相之間的熱交換效率。為了進(jìn)一步增加接觸表面積，NVHEL入口 120任選地連接至噴灑器430，其將NVHEL小滴噴射至DCHE的直接接觸區(qū)118內(nèi)。小滴尺寸可根據(jù)DCHE直接接觸區(qū)118的壓力和溫度調(diào)整，以實(shí)現(xiàn)將可冷凝蒸氣與工藝流112內(nèi)的輕質(zhì)氣體最佳分離，同時(shí)防止小滴夾帶入輕質(zhì)氣體離開流124。
[0071]圖6以另外細(xì)節(jié)圖解了 DCHE單元600的一個(gè)實(shí)施方式。DCHE600的入口和出口類似于圖4中的DCHE400中的那些。但是，DCHE600的直接接觸區(qū)118包括例如多孔板如分流器611-616，每個(gè)具有多個(gè)孔640。分流器611-616包括形成孔650的缺口。分流器611-616 一般被定位為與鉛垂線垂直，以使NVHEL在每個(gè)分流器的上表面上形成層，并且從上側(cè)至下側(cè)流動(dòng)通過分流器的較大的孔650。最優(yōu)選地，每個(gè)分流器的較大的孔650與任何相鄰分流器的較大的孔未對(duì)齊，以引起由大箭頭指示的迂回的流體流動(dòng)119b。在向上方向(小箭頭表示)上，工藝流112d由于壓差被迫使通過分流器611-616的多個(gè)較小的孔640，使NVHEL直接接觸在分流器611-616的上表面上。
[0072]各個(gè)分流器611-616被間隔開以提供允許NVHEL流流動(dòng)通過直接接觸區(qū)118的空間，在每個(gè)分流器的上表面上形成NVHEL層，并且允許工藝流112d流動(dòng)通過分流器和分流器上的NVHEL層。在一個(gè)實(shí)施方式中，間隙距離660在大約0.5至IOOcm范圍內(nèi)，而分流器厚度670可在大約0.2cm至IOcm范圍內(nèi)，雖然如果期望可使用其它尺寸。
[0073]圖7顯示了分流器的俯視圖，其一般地橫穿直接接觸區(qū)118的橫截面的大部分。如此處指出的，分流器710的形狀是圓形。但是，分流器的形狀可以是對(duì)于在直接接觸區(qū)118中冷卻工藝流112d提供期望的表面積和接觸的任何形狀。類似地，較小孔640的直徑和數(shù)目、較大孔650的直徑以及分流器的數(shù)目可被調(diào)整以優(yōu)化NVHEL119和工藝流112d的流速，以便達(dá)到期望的接觸表面積和接觸持續(xù)時(shí)間。本領(lǐng)域技術(shù)人員熟知用于形成在向上流的工藝流上維持壓頭以引起均質(zhì)混合的流體流動(dòng)的工藝參數(shù)。在一個(gè)實(shí)施方式中，較小孔的直徑在0.01至5cm范圍內(nèi)，并且較大孔的直徑在I至20cm范圍內(nèi)。較小孔的密度可在10%至90%的范圍內(nèi)，并且分流器的數(shù)目可在一個(gè)至幾百個(gè)范圍內(nèi)。為了各種目的，如果期望的話，可使用其它尺寸和數(shù)目。在該設(shè)計(jì)中未顯示但是優(yōu)選的是NVHEL的級(jí)間出口，其允許移去流體中的固體形成以及NVHEL的冷卻以補(bǔ)償與冷凝或凝華蒸氣相關(guān)的冷凝潛熱引起的熱增加。在所有情況中，隨著流體逐級(jí)通過該系統(tǒng)，流體溫度一定下降。
[0074]圖8描述了可選系統(tǒng)800，其中分離的輕質(zhì)氣體流824被用作同流式再循環(huán)熱交換器(RHE)840中的冷卻劑，以冷卻再循環(huán)的NVHEL819。系統(tǒng)800包括使工藝流812加壓的壓縮機(jī)802。工藝流812中的壓力在膨脹過程中用于DCHE816下游，膨脹過程將輕質(zhì)氣體流824冷卻至適用于同流式RHE的溫度。在一個(gè)實(shí)施方式中，系統(tǒng)800被配置來在基本上在環(huán)境壓力以上的壓力下操作。例如，系統(tǒng)800可在大約0.5atm至大約20atm、更優(yōu)選地大約Iatm至大約IOatm或大約Iatm至大約7atm范圍內(nèi)的壓力下操作。
[0075]膨脹過程利用在容器816下游的驟冷器804。冷卻的分離輕質(zhì)氣體流824被膨脹至RHE840中的溫度以下的溫度。膨脹的輕質(zhì)氣體流824a的較低溫度允許流824a被用作RHE840中的冷卻劑。膨脹過程可用于免除對(duì)于使用外部制冷單元的需要。
[0076]在一個(gè)實(shí)施方式中，固體分離器806可用于去除可在驟冷器804中的輕質(zhì)氣體流824的膨脹過程中形成的固體。在一些情況中，輕質(zhì)氣體流824可具有在DCHE容器816中未被分離出的一些可冷凝蒸氣。膨脹輕質(zhì)氣體流824可引起可冷凝蒸氣的額外部分形成固體。該額外的冷凝可從系統(tǒng)800去除額外量的C02。由輕質(zhì)氣體流824的膨脹產(chǎn)生的固體的量與DCHE直接接觸區(qū)818中去除的固體的質(zhì)量相比一般是小的。
[0077]由膨脹產(chǎn)生的固體和使用固體分離器806分離的固體可與從RHE840上游的澄清器830中分離的固體流831結(jié)合，以進(jìn)一步處理。為了維持容器816中的壓力，再循環(huán)的NVHEL819可在注入容器816后使用加壓器808加壓。在可選的實(shí)施方式中，分離的固體807和/或831可被融化并且用于同流式RHE840，然后進(jìn)一步處理。
[0078]工藝流812 —般在容器816上游被加壓。工藝流812可使用任何數(shù)量的壓縮機(jī)和熱交換器加壓。在一個(gè)實(shí)施方式中，交替串聯(lián)的多個(gè)壓縮機(jī)和熱交換器用于壓縮和冷卻工藝流812。使用串聯(lián)交替的壓縮機(jī)和熱交換器可提高降低溫度和增加壓力的效率。系統(tǒng)800可具有類似于圖4-7中描述的容器116的容器816，只要容器816被配置以耐受操作壓力。
[0079]在一個(gè)實(shí)施方式中，容器816中的壓力至少為大約5ps1、更優(yōu)選地至少大約20ps1、并且最優(yōu)選地至少大約50psi或甚至幾百psi。更高的壓力允許更大的膨脹以及溫度降低，以冷卻分離的輕質(zhì)氣體流，以便用作RHE中的冷卻劑。
[0080]在環(huán)境壓力以上的壓力下操作對(duì)于從工藝流812中去除雜質(zhì)(例如，使用圖3中描述的結(jié)構(gòu)或一系列這種設(shè)備)也可以是有利的。
[0081]圖1中顯示的系統(tǒng)可被許多次分級(jí)，以在一定溫度范圍內(nèi)提供熱的有效回收和/或雜質(zhì)的去除。該系統(tǒng)以任何經(jīng)典的熱交換模式工作，包括逆流(圖9A)、并流(圖9B)和/或逆流和并流的混合(圖9C)、錯(cuò)流等。
[0082]如圖9A中顯示的，熱交換器940a以逆流冷卻流902a和NVHEL932a進(jìn)行操作。類似地，熱交換器940b和940c以類似構(gòu)造操作。在圖9A中，DCHE916a還可以如由工藝流912a和NVHEL919a的箭頭表示的逆流方式操作。類似地，DCHE916b和DCHE916c以逆流方
式操作。
[0083]圖9B顯示了熱交換器940a，其以由顯示用于冷卻流902a和NVHEL932a的流動(dòng)的相同流動(dòng)方向的箭頭圖解的并流流動(dòng)操作。類似地，熱交換器940b和940c被顯示以并流流動(dòng)操作。在圖9B中，DCHE916a也以由工藝流912a和NVHEL919a的流動(dòng)方向表示的并流流動(dòng)操作。DCHE916b和916c在圖9B中顯示為以并流流動(dòng)操作。[0084]圖9C顯示了圖9A和9B的混合，其中熱交換器940a、940b和940c以并流流動(dòng)操作，并且DCHE916a、916b和916c以逆流流動(dòng)操作。還可使用其它構(gòu)造，包括所有或一部分熱交換器940逆流操作，并且所有或一部分DCHE916并流操作。圖9C中顯示的設(shè)計(jì)具有在并流部分中以相對(duì)小的效率損失進(jìn)行重力驅(qū)動(dòng)的優(yōu)勢。同樣情況可通過進(jìn)行相反側(cè)的并流完成，其可能在實(shí)際中更現(xiàn)實(shí)，因?yàn)樵谝恍┣闆r中直接接觸換熱器可能難以維持逆流模式。[0085]I1.用于冷凝蒸氣的方法[0086]本發(fā)明包括用于使用直接接觸熱交換器(DCHE)從工藝流中冷凝蒸氣的方法。在一個(gè)實(shí)施方式中，方法包括(i)提供包括可冷凝蒸氣和輕質(zhì)氣體的工藝流；(ii)使用一個(gè)或多個(gè)上游熱交換器冷卻工藝流；(iii)提供包括容器內(nèi)的非揮發(fā)性或最低限度揮發(fā)性的熱交換液體(NVHEL)的DCHE;(iv)將工藝流引入一個(gè)或多個(gè)上游熱交換器下游的DCHE，使工藝流直接接觸NVHEL ； (V)在足以引起工藝流中的可冷凝蒸氣的至少一部分凝華的溫度和壓力下用NVHEL冷卻工藝流，形成冷卻的輕質(zhì)氣體和包括凝華固體和NVHEL的漿液；(V)將輕質(zhì)氣體與固體分離以產(chǎn)生分離的輕質(zhì)氣體流并且通過輕質(zhì)氣體出口從容器中移去分離的輕質(zhì)氣體流；和(vi)將凝華固體的至少一部分與NVHEL分離。[0087]提供工藝流的步驟可包括提供導(dǎo)管、泵、閥和/或適于將來自加工裝置的氣體輸送至分離單元如上述系統(tǒng)100或系統(tǒng)800的其它硬件。加工裝置可以是烴裝置如燒煤、燒液體燃料或燒氣的發(fā)電站?？蛇x地，工藝流可以是來自化學(xué)加工裝置如精煉廠的煙道氣。工藝流包括至少一種可冷凝蒸氣。在優(yōu)選的實(shí)施方式中，可冷凝蒸氣是二氧化碳。[0088]工藝流被冷卻至剛好在可冷凝蒸氣的露點(diǎn)或霜凍點(diǎn)以上的溫度，然后被引入DCHE。在一些應(yīng)用中，殘留水分或其它可冷凝種類可總是存在于煙道氣中，在此情況，DCHE系統(tǒng)可用于所有的冷卻階段。可冷凝蒸氣的露點(diǎn)或霜凍點(diǎn)取決于具體的可冷凝蒸氣和系統(tǒng)壓力。例如，在近環(huán)境壓力下的二氧化碳的霜凍點(diǎn)為大約_78°C。本領(lǐng)域技術(shù)人員熟知計(jì)算工藝流中的各種可冷凝蒸氣的霜凍點(diǎn)或露點(diǎn)。工藝流可被冷卻至可冷凝蒸氣的露點(diǎn)或霜凍點(diǎn)的大約10度內(nèi)，更優(yōu)選地大約5度內(nèi)，并且最優(yōu)地在大約2度內(nèi)。冷卻工藝流可使用任何技術(shù)執(zhí)行，包括以上關(guān)于系統(tǒng)10或系統(tǒng)800描述的那些。例如，方法可包括通過去除水干燥工藝流和/或從工藝流中去除雜質(zhì)。[0089]在一個(gè)實(shí)施方式中，工藝流812在被引入容器之前通過在一個(gè)或多個(gè)熱交換器中的冷凝被純化?？赏ㄟ^冷凝去除的雜質(zhì)包括但不限于汞、NOj^P/或S0X。在一個(gè)實(shí)施方式中，純化的工藝流可具有小于大約Ippm的萊、小于大約Ippm的硫和小于Ippm的除了 NO的氮氧化物，由于其甚至在低溫下的高揮發(fā)性，NO可能以高得多的濃度存在。[0090]關(guān)于用于冷卻和/或純化工藝流的系統(tǒng)和方法的其它細(xì)節(jié)可在 申請(qǐng)人:的共同未決PCT申請(qǐng)系列號(hào)PCT US2008/085075中發(fā)現(xiàn)，將其借此通過引用并入。方法包括在適于將可冷凝蒸氣冷凝至固體表面上的條件下將冷卻的工藝流引入顆粒床的步驟。[0091]在一個(gè)實(shí)施方式中，容器中的壓力可相對(duì)地低，如大約環(huán)境壓力至大約15psi或環(huán)境壓力至大約IOpsi或環(huán)境壓力至大約5psi范圍的壓力。在可選的實(shí)施方式中，壓力可相對(duì)地高，如在大約5psi至大約1000psi或更大、或20psi至大約500psi的范圍內(nèi)?？稍谌萜魃嫌问褂靡粋€(gè)或多個(gè)壓縮機(jī)和/或風(fēng)扇提供容器內(nèi)的期望壓力。[0092]DCHE內(nèi)的溫度可在大約_80°C至大約_120°C或大約_100°C至大約_135°C或大約-100°C至大約-145°c的范圍內(nèi)。DCHE的溫度通過NVHEL提供。在優(yōu)選的實(shí)施方式中，DCHE具有在工藝流內(nèi)的可冷凝蒸氣的霜凍點(diǎn)或露點(diǎn)以下的溫度。在一個(gè)實(shí)施方式中，DCHE的溫度是露點(diǎn)或霜凍點(diǎn)以下30°C至40°C的度數(shù)，或露點(diǎn)或霜凍點(diǎn)以下40°C至55°C的度數(shù)，或露點(diǎn)或霜凍點(diǎn)以下40°C至65°C的度數(shù)。通過DCHE移去的可冷凝蒸氣的量取決于通過煙道氣達(dá)到的最低溫度。
[0093]工藝流通過分布設(shè)備被注入容器，并且在引起可冷凝蒸氣冷凝的條件下使其直接接觸NVHEL。隨著工藝流流動(dòng)通過直接接觸區(qū)內(nèi)的NVHEL，工藝流的溫度降至可冷凝蒸氣的露點(diǎn)或霜凍點(diǎn)以下，其在NVHEL的接觸表面上冷凝。隨著冷凝的蒸氣懸浮于NVHEL中并且與工藝流中的具有在可冷凝蒸氣的冷凝點(diǎn)以下的冷凝點(diǎn)的氣體分離，工藝流中的剩余氣體(例如，氮?dú)?形成輕質(zhì)氣體流,其通過輕質(zhì)氣體出口離開容器。
[0094]該分離技術(shù)可有利地在其中可冷凝蒸氣在NVHEL中凝華的連續(xù)或半連續(xù)過程中執(zhí)行，形成包括固體和NVHEL的漿液。固體和NVHEL可使用任何技術(shù)如閥、泵和/或螺旋輸送機(jī)移出。在穩(wěn)態(tài)下的操作過程中被移出的固體量近似于正常過程變化內(nèi)的過程中冷凝或凝華的蒸氣量，或可大于或小于瞬態(tài)操作中的該量。
[0095]在一個(gè)實(shí)施方式中，方法包括在穩(wěn)態(tài)中操作DCHE單元，由于工藝流和NVHEL之間的直接接觸，在穩(wěn)態(tài)中DCHE中凝華固體的積聚速度與從其中移去凝華固體的速度大概相同。在一個(gè)實(shí)施方式中，冷凝蒸汽從DCHE容器的移出足夠允許容器連續(xù)操作至少幾天、幾周或甚至幾個(gè)月，而沒有在DCHE容器中堆積冷凝的固體。
[0096]在優(yōu)選的實(shí)施方式中，分離單元通過回收用于冷卻容器上游的工藝流的一部分能量經(jīng)濟(jì)地操作。在該實(shí)施方式中，容器上游的工藝流使用同流式上游熱交換器冷卻，所述同流式上游熱交換器使用分離的輕質(zhì)氣體流作為制冷劑進(jìn)行冷卻。
[0097]在一個(gè)實(shí)施方式中，工藝流中的可冷凝蒸氣包括CO2和雜質(zhì)如S02、SO3> NO2, N2O,HC1、汞化合物和珅化合物以及其它痕量氣體雜質(zhì)。雜質(zhì)可在稍后的階段與CO2分離。
[0098]本發(fā)明可在不脫離其精神或必要特性的情況下以其它具體形式體現(xiàn)。所述的實(shí)施方式在所有方面僅被認(rèn)為是例證性的而非限制性的。因此，本發(fā)明的范圍通過所附權(quán)利要求而不是通過前述描述指出。在權(quán)利要求的等價(jià)的含義和范圍內(nèi)進(jìn)行的所有變化包含在權(quán)利要求的范圍內(nèi)。
【權(quán)利要求】
1.用于通過凝華可冷凝蒸氣將所述可冷凝蒸氣與輕質(zhì)氣體分離的系統(tǒng)，包括: 直接接觸熱交換器(DCHE)單元，其包括在容器內(nèi)的非揮發(fā)性熱交換液體(NVHEL)，所述容器具有工藝流入口、輕質(zhì)氣體出口和凝華固體出口 ； 工藝流入口，其被配置來引起包含可冷凝蒸氣的工藝流直接接觸所述容器內(nèi)的所述NVHEL，其中所述系統(tǒng)被配置來將所述NVHEL冷卻至使得所述NVHEL與所述工藝流的直接接觸引起所述可冷凝蒸氣凝華并且形成分離的冷卻氣體以及包括凝華固體和所述NVHEL的漿液的溫度和壓力，所述分離的輕質(zhì)氣體流通過所述輕質(zhì)氣體出口離開所述DCHE容器，所述凝華固體通過所述凝華固體出口離開所述DCHE容器；和 固體分離器，其將所述凝華固體的至少一部分與所述NVHEL分離。
2.權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中所述固體分離器在所述DCHE容器的所述凝華固體出口的下游。
3.權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，進(jìn)一步包括流體再循環(huán)回路，其提供從所述凝華固體出口至所述DCHE的所述NVHEL入口的流體路徑，并且包括再循環(huán)熱交換器。
4.權(quán)利要求3所述的系統(tǒng)，其中所述輕質(zhì)氣體出口連接至所述再循環(huán)熱交換器，以冷卻所述NVHEL。
5.權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中所述工藝流入口與煙道氣源流體連通。
6.權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其配置來在大約5psi壓力至大約500psi范圍內(nèi)的壓力下操作。
7.權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)·，其配置來在大約大氣壓力至大約5psi范圍內(nèi)的壓力下操作。
8.權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，進(jìn)一步包括同流式上游熱交換器，其配置來使用在所述DCHE的所述輕質(zhì)氣體出口下游的所述分離的輕質(zhì)氣體冷卻在所述DCHE單元上游的工藝流。
9.權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，進(jìn)一步包括同流式上游熱交換器，其配置來使用在所述DCHE的所述固體出口下游的所述分離的固體冷卻在所述DCHE單元上游的工藝流。
10.權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中所述DCHE容器包括多個(gè)多孔分流器，其配置來引起所述NVHEL和所述工藝流之間的接觸。
11.用于分離可冷凝蒸氣的系統(tǒng)，其包括多個(gè)分級(jí)子系統(tǒng)，其中每個(gè)子系統(tǒng)包括權(quán)利要求I中所述的系統(tǒng)，其中所述分級(jí)子系統(tǒng)的所述DCHE單元被分級(jí)，以在一定的溫度和條件范圍內(nèi)提供固體移出，并且其中所述分級(jí)在所述分級(jí)子系統(tǒng)的熱交換器中保持逆流熱交換，或提供錯(cuò)流熱交換或并流熱交換或它們的組合。
12.權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中所述NVHEL入口與在所述DCHE中產(chǎn)生NVHEL小滴的內(nèi)部噴灑器流體連通。
13.權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中所述DCHE包括與將所述工藝流注入所述NVHEL的所述工藝流入口流體連通的分布設(shè)備。
14.用于通過升華可冷凝蒸氣將所述可冷凝蒸氣與氣體分離的方法，包括: 提供包括可冷凝蒸氣和輕質(zhì)氣體的工藝流； 使用一個(gè)或多個(gè)上游熱交換器冷卻所述工藝流； 提供直接接觸熱交換器(DCHE)，其包括在容器內(nèi)的非揮發(fā)性熱交換液體(NVHEL)；將所述工藝流引入所述DCHE，并且將所述NVHEL內(nèi)的所述可冷凝蒸氣凝華，以形成冷卻的輕質(zhì)氣體以及包括凝華固體和所述NVHEL的漿液； 將所述漿液與所述冷卻的輕質(zhì)氣體分離，以產(chǎn)生分離的輕質(zhì)氣體流；和 將所述凝華固體的至少一部分與所述NVHEL分離。
15.權(quán)利要求14所述的方法，其中所述NVHEL選自甲基環(huán)戊烷、甲基環(huán)己烷、氟化烴或氯化烴、或它們的組合。
16.權(quán)利要求14所述的方法，其中所述凝華固體和所述NVHEL作為漿液從所述DCHE中移出，并且在加壓所述漿液之前或之后，在所述DCHE外部的固體分離器中將所述凝華固體與所述NVHEL分離。
17.權(quán)利要求14所述的方法，其中所述NVHEL在與所述凝華固體分離之后被再循環(huán)至所述DCHE。
18.權(quán)利要求17所述的方法，其中所述分離的輕質(zhì)氣體流用于再循環(huán)熱交換器中，以冷卻再循環(huán)的NVHEL。
19.權(quán)利要求18所述的方法，進(jìn)一步包括將所述工藝流冷卻至從二氧化碳的凝華溫度至大約所述凝華溫度以上2攝氏度的范圍內(nèi)的溫度，然后將所述工藝流引入所述DCHE。
20.權(quán)利要求14所 述的方法，進(jìn)一步包括凝華或冷凝一種或多種工藝流雜質(zhì)。
【文檔編號(hào)】F25J3/06GK103596660SQ201180065223
【公開日】2014年2月19日 申請(qǐng)日期:2011年11月21日 優(yōu)先權(quán)日:2010年11月19日
【發(fā)明者】L·L·巴克斯特, C·S·本斯 申請(qǐng)人:布萊阿姆青年大學(xué)