用于收集二氧化碳的單塊接觸器以及相關系統和方法

用于收集二氧化碳的單塊接觸器以及相關系統和方法
【專利摘要】本發明涉及用于收集二氧化碳的單塊接觸器以及相關系統和方法。用于收集目標分子的單塊接觸器，所述單塊接觸器可以包括具有入口端和縱向相對的出口端的單塊體部以及從鄰近所述入口端向鄰近所述出口端延伸的多個格子，其中所述目標分子被吸附到所述體部的表面。
【專利說明】用于收集二氧化碳的單塊接觸器以及相關系統和方法
【技術領域】
[0001]本公開一般涉及二氧化碳收集，并且更具體地，涉及由沸石材料制成的單塊接觸器收集二氧化碳的用途。
【背景技術】
[0002]二氧化碳被收集用于多種應用。二氧化碳的天然來源通常被開采以收集二氧化碳用于多種工業目的。二氧化碳還作為工業過程的副產物收集并且以便從空氣供應中去除過多的二氧化碳。
[0003]二氧化碳可以使用多種技術從多種來源獲得。然而，傳統的二氧化碳收集技術可能是非常耗能的，特別是當以工業規模運轉時。對于二氧化碳收集兩種要求最高的能量需求典型地是驅使氣流經過或通過收集介質所需的能量和從收集介質再生和捕獲二氧化碳所需的能量。因此，二氧化碳材料成本可能變得很大，特別是當大量使用時。
[0004]用于收集二氧化碳的常用方法是利用胺來化學鍵合二氧化碳。此類方法涉及化學反應并且需要大量的能量來從胺釋放二氧化碳。
[0005]用于收集二氧化碳的另一種方法是利用碳酸鈉作為催化劑，其中氣流被引入至液體氫氧化鈉流中以產生碳酸鹽。此類方法需要大量的能量，因為碳酸鹽需要被加熱至非常高的溫度以釋放捕獲的二氧化碳。
[0006]用于收集二氧化碳的另一種方法是利用沸石粉或沸石球形擠出物的填充床。此類方法也需要大量的能量以驅使氣流通過沸石材料的填充床。
[0007]因此，本領域技術人員在二氧化碳收集的領域中延續著研究和開發努力。

【發明內容】

[0008]在一個方面，公開的系統可以包括用于收集目標分子的單塊接觸器，所述單塊接觸器可以包括具有入口端和縱向相對的出口端的單塊體部以及多個從鄰近所述入口端向鄰近所述出口端延伸的格子(cell)，其中所述目標分子被吸附到所述體部的表面。
[0009]在另一個方面，公開的系統可以包括用于從工藝氣體收集目標分子諸如水和二氧化碳的系統，所述系統可以包括用于從工藝氣體移除熱量的冷凝器，其中所述冷凝器冷凝工藝氣體中的水蒸氣，用于從工藝氣體中吸附額外的水以產生基本上干燥的氣體的干燥劑室，用于從干燥氣體吸附二氧化碳的接觸室。公開的系統可以任選地還包括用于將吸附的二氧化碳從接觸室排出并將排出的二氧化碳從氣體諸如通過升華作用轉變成固體的真空室，和用于收集從工藝氣體移除的熱量并傳遞所述熱量的熱傳遞組件。
[0010]在又另一個方面，公開了一種制造用于收集目標分子的單塊接觸器的方法，該方法可以包括以下步驟:(I)制備包含吸附劑材料(例如，沸石材料)、載體和粘合劑的吸附劑組合物，(2)擠出吸附劑組合物以形成單塊體部，所述單塊體部具有入口端、縱向相對的出口端和多個基本上平行的從鄰近入口端向鄰近出口端延伸的格子，(3)干燥所述體部，以及
(4)燒制干燥所述體部。[0011]在又另一個方面，公開了一種用于收集二氧化碳的方法，所述方法可以包括以下步驟:(1)提供包含二氧化碳和水的氣態混合物，和(2)從所述氣態混合物將至少一部分二氧化碳吸附到單塊接觸器上，所述單塊接觸器包括組裝為限定多個通道的單塊體部的吸附劑材料。
[0012]從下面的【具體實施方式】、附圖和附帶的權利要求，公開的單塊接觸器、系統和方法的其他方面將變得顯而易見。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0013]圖1是公開的用于收集二氧化碳的系統的實施方式的示意性框圖；
[0014]圖2是說明公開的用于收集二氧化碳的方法的實施方式的流程圖；
[0015]圖3是公開的單塊接觸器的實施方式的立體正視圖；
[0016]圖4是圖3的單塊接觸器的正面立視圖；
[0017]圖5是公開的用于制造單塊接觸器的方法的實施方式的流程圖；和
[0018]圖6是公開的用于收集二氧化碳的系統的接觸室的剖視圖。
【具體實施方式】
[0019]下面的詳述參考附圖，所述附圖闡明本公開的【具體實施方式】。具有不同的結構和操作的其他實施方式并不背離本公開的范圍。類似的附圖標記可以指不同附圖中的相同元件或部件。
[0020]參考圖1，公開的用于收集二氧化碳的系統的一個實施方式，通常標為10，可以包括氣體源12、空氣移動裝置14、冷凝器16、干燥劑室18和接觸室20。任選地，系統10還可以包括真空室22和/或熱傳遞組件24。另外的部件和子系統可以結合至系統10中而不背離本公開的范圍。
[0021]氣體源12可以是工藝氣體26的來源。工藝氣體26可以是任何含二氧化碳氣體。例如，工藝氣體26可以是氣態混合物，并且可以包括二氧化碳以及其他成分，諸如水蒸氣、氮氣、氧氣、稀有氣體等。
[0022]工藝氣體26可以處于相對于環境條件升高的溫度，使得工藝氣體26含有過多的熱量。一種表達是，工藝氣體26可以處于至少25°C的溫度。另一種表達是,工藝氣體26可以處于至少50°C的溫度。另一種表達是，工藝氣體26可以處于至少100°C的溫度。另一種表達是，工藝氣體26可以處于至少200°C的溫度。另一種表達是，工藝氣體26可以處于至少300°C的溫度。另一種表達是，工藝氣體26可以處于至少400°C的溫度。又另一種表達是，工藝氣體26可以處于至少500°C的溫度。
[0023]在一個【具體實施方式】中，氣體源12可以是發電廠并且工藝氣體26可以是來自發電廠的流出物。例如，發電廠可以是燃燒烴的發電廠，諸如天然氣發電廠，并且工藝氣體26可以是燃燒烴的發電廠的燃燒副產物。因此，工藝氣體26可以處于相對于環境條件相對高的溫度，并且作為氧與烴的燃燒反應的結果可以包括大量的二氧化碳。任選地，在工藝氣體26進入系統10之前，在氣體源12和空氣移動裝置14之間可以使用分離裝置，諸如滌氣器，以從流出物去除污染物(例如，金屬)。
[0024]空氣移動裝置14，盡管是任選的，可以促進工藝氣體26從氣體源12至冷凝器16的轉移。空氣移動裝置14可以是風扇、鼓風機等，并且可以控制工藝氣體26至冷凝器16的流動(例如，流速)。也考慮使用多個空氣移動裝置14。
[0025]冷凝器16可以接收來自空氣移動裝置14的工藝氣體26，并且可以將工藝氣體26中的水蒸氣冷凝以輸出部分干燥(如果不是完全干燥)的氣體28。可以使用多種冷凝器類型和構造，并且也考慮使用單級或多級冷凝器。
[0026]冷凝器16可以通過冷卻工藝氣體26來冷凝工藝氣體26中的水蒸氣。在冷卻期間通過冷凝器16從工藝氣體26中提取的熱量可以傳遞至熱傳遞組件24以進一步使用，如在下面更詳細描述的。
[0027]因此，冷凝器16可以降低工藝氣體26的溫度。一種方式是，冷凝器16可以將工藝氣體26的溫度降低至少10°C。另一種方式是，冷凝器16可以將工藝氣體26的溫度降低至少20°C。另一種方式是，冷凝器16可以將工藝氣體26的溫度降低至少30°C。另一種方式是，冷凝器16可以將工藝氣體26的溫度降低至少40°C。另一種方式是，冷凝器16可以將工藝氣體26的溫度降低至少50°C。另一種方式是，冷凝器16可以將工藝氣體26的溫度降低至少100°C。另一種方式是，冷凝器16可以將工藝氣體26的溫度降低至少150°C。又另一種方式是，冷凝器16可以將工藝氣體26的溫度降低至少200°C。
[0028]由冷凝器16從工藝氣體26中去除的水可以作為系統10的副產物收集。然后收集的水可以用于任何合適的目的或排放至下水道。
[0029]干燥劑室18可以接收來自冷凝器16的部分干燥的氣體28，并且可以輸出基本上干燥的氣體30。干燥劑室18可以包括選擇以去除部分干燥的氣體28中殘留的基本上所有水的干燥劑材料。可以使用多種無機或有機干燥劑材料，諸如氧化鋁、二氧化硅、沸石、碳、聚合物、生物質等。也考慮使用其他干燥劑材料而不背離本公開的范圍。
[0030]在公開的系統10的一個【具體實施方式】中，干燥劑室18中的干燥劑材料可以是(或可以包括)吸附劑材料，諸如分子篩材料。作為一個具體的非限制性實例，干燥劑(吸附劑)材料可以被構造成由分子篩材料形成的具有堿金屬鋁硅酸鹽結構的單塊體部，所述結構具有至多約5埃(例如，約3埃)的有效孔隙開口。作為另一個具體的非限制性實例，干燥劑(吸附劑)材料可以構造成由沸石材料形成的單塊體部。作為又另一個具體的非限制實例，干燥劑(吸附劑)材料可以構造成由沸石3A形成的單塊體部。
[0031]干燥劑材料可以在收集一定量的水后被消耗，并且因此可能需要再生。干燥劑材料的再生可以借助于熱傳遞組件24通過向干燥劑材料施加熱量來實現，如下面更詳細描述的。還可以使用其他技術，諸如施加真空，再生干燥劑材料。也考慮多種技術的組合，諸如熱和真空。
[0032]由干燥劑室18從部分干燥的氣體28去除的水可以被收集為系統10的副產物。然后收集的水可以被用于任何合適的目的或排放至下水道。
[0033]因此，冷凝器16和干燥劑室18可以去除工藝氣體26中初始所含有的基本上所有水。得到的干燥氣體30然后可以用于二氧化碳收集。公開的系統10的一個益處是二氧化碳隔離和收集的成本有效性，其中干燥氣體30中水蒸氣與二氧化碳的比率按重量計等于或小于I。
[0034]接觸室20可以接收來自干燥劑室18的干燥氣體30，并且可以輸出基本上不含二氧化碳的干燥氣體32。接觸室20可以包含吸附劑材料，所述吸附劑材料通過將二氧化碳分子從干燥氣體30的流吸附到吸附劑材料的表面而從干燥氣體30吸附二氧化碳。此外，在吸附過程期間，二氧化碳還可以被吸附到吸附劑材料的內部結構中，諸如通過二氧化碳分子從吸附劑材料的表面的擴散或類似的輸運現象。
[0035]多種有機或無機吸附劑材料可以適合用于接觸室20中以從干燥氣體30吸附二氧化碳，諸如氧化鋁、二氧化硅、沸石、碳、聚合物、生物質等。也考慮使用其他的吸附劑材料。
[0036]在公開的系統10的一個【具體實施方式】中，接觸室20中的吸附劑材料可以是(或可以包括)分子篩材料。作為一個具體的非限制性實例，吸附劑材料可以被構造成由分子篩材料形成的具有堿金屬鋁硅酸鹽結構的單塊體部，所述結構具有約8埃-約13埃(例如，約10埃)的有效孔隙開口。作為另一個具體的非限制性實例，吸附劑材料可以構造成由沸石材料形成的單塊體部。作為又另一個具體的非限制實例，吸附劑材料可以構造成由沸石13X(或沸石13X的改型)形成的單塊體部。
[0037]當足量的二氧化碳已經被接觸室20內的吸附劑材料吸附(至吸附劑材料之上和之內)時，可以啟動解吸過程以從吸附劑材料釋放二氧化碳。從吸附劑材料解吸被吸附的二氧化碳的過程可以再生所述吸附劑材料，由此允許進一步使用所述吸附劑材料。
[0038]吸附的二氧化碳可以使用多種技術從吸附劑材料釋放。一種用于從吸附劑材料解吸二氧化碳的合適技術涉及使吸附劑材料經歷真空。作為一個實例，可以將接觸室20基本上與氣體流密封，并且可以在接觸室20中抽真空。壓降可以是相對低的，諸如約8-約12psi。作為另一個實例，接觸室20可以被基本上與氣體流密封，然后接觸室20可以被流體連接到任選的真空室22。另外地(或可選地)，可以向接觸室20施加熱量，并且最終向吸附劑材料施加熱量，諸如借助于熱傳遞組件24，以促進二氧化碳從吸附劑材料釋放。因此，施加的真空和/或熱量可以有助于二氧化碳從接觸室20中的吸附劑材料釋放，如箭頭34所示。
[0039]不受限于任何具體理論，認為，利用真空再生可以因為實現解吸所需的相對低的壓降而顯著地減少總能量需求，由此使得公開的物理吸附過程顯著有效。例如，物理吸附過程緊接著真空解吸可以需要比傳統化學吸附過程小3-5倍的再生能量。使用單塊結構，如本文所公開的，可以進一步提高操作效率。
[0040]任選地，離開接觸室20的氣態二氧化碳(箭頭34)可以使用任何合適的技術轉變成固體，諸如通過冷凍或類似的沉積。例如，冷卻的表面36，諸如指形冷凍器，可以放置在接觸室20的下游以與氣態二氧化碳(箭頭34)接觸。冷卻的表面36可以通過低溫泵38冷卻，所述低溫泵使冷液體循環通過冷卻的表面36。冷卻的表面36可被冷卻至足夠低的溫度以使氣態二氧化碳固化在冷卻的表面36上。
[0041]然后固化的二氧化碳可以作為固體收集，或通過將二氧化碳轉變回氣體(S卩，升華作用)(例如，利用熱)而收集。然后收集的二氧化碳可以被輸送用于儲存或運輸至工作地點。
[0042]熱傳遞組件24可以將冷凝器16與系統10的一個或多個其他子系統熱耦合從而將在冷凝器16處收集的熱施加至系統10的其他子系統。作為一個實例，熱傳遞組件24可以將冷凝器16與干燥劑室18熱耦合。作為另一個實例，熱傳遞組件24可以將冷凝器16與接觸室20熱耦合。作為另一個實例，熱傳遞組件24可以將冷凝器16與干燥劑室18和接觸室20兩者熱耦合。[0043]熱傳遞組件24可以包括流體管線50，泵52，熱交換器54、56、58和任選的散熱器60。第一熱交換器54可以與冷凝器16相連，并且可以在冷凝器16處從工藝氣體26收集熱量。第二熱交換器56可以與干燥劑室18相連，并且可以將熱傳遞至干燥劑室18，諸如在干燥劑材料的再生期間。第三熱交換器58可以與接觸室20相連，并且可以將熱傳遞至接觸室20，諸如在從吸附劑材料解吸二氧化碳期間。
[0044]流體管線50可以將第一熱交換器54與第二和第三熱交換器56、58流體連接。泵52可以將冷卻流體(例如，水、乙二醇等)循環通過流體管線50，使得冷卻流體從第一熱交換器54收集熱量并將熱量傳遞至系統10的一個或多個其他子系統。例如，冷卻流體可以通過第二熱交換器56將收集的熱量傳遞至干燥劑室18或通過第三熱交換器58將收集的熱量傳遞至接觸室20。
[0045]第一閥62可以鄰近干燥劑室18連接到流體管線50以控制冷卻流體至第二熱交換器56的流動。可以設置旁路管線64，從而當第一閥62關閉時繞過第二熱交換器56。
[0046]第二閥66可以鄰近接觸室20連接到流體管線50以控制冷卻流體至第三熱交換器58的流動。可以設置旁路管線68，從而當第二閥66關閉時繞過第三熱交換器58。
[0047]因此，可以選擇性地驅動閥62、66以控制何時分別向干燥劑室18和接觸室20施加熱量。
[0048]流體管線50也可以與散熱器60流體連通。散熱器60可以在冷卻流體通過熱傳遞組件24再循環回之前從冷卻流體移除殘留的熱量。也考慮未再循環冷卻流體的熱傳遞組件。
[0049]參照圖2，也公開了一種用于收集二氧化碳的方法，通常標為100。方法100可以在框102處以獲得含二氧化碳氣體的步驟開始。如上所述，含二氧化碳氣體可以是來自發電廠諸如燃燒烴的發電廠的熱流出物。也考慮使用其他含二氧化碳氣體。
[0050]如在框104處所示，可以從含二氧化碳氣體移除過多的熱量。可以在冷凝器處移除過多的熱量，所述冷凝器還有益地從含二氧化碳氣體移除一些(如果不是全部)水蒸氣。殘留的水可以使用干燥劑從含二氧化碳氣體移除，如在框106處所示，以得到基本上干燥的含二氧化碳氣體。
[0051]來自干燥的含二氧化碳氣體的二氧化碳可以被吸附到吸附劑材料上(和吸附到其中)，如在框108處所示。然后，如在框110處所示，被吸附的二氧化碳可以從吸附劑材料被解吸，諸如利用熱和/或真空。被解吸的二氧化碳可以被轉變成固體，諸如通過冷凍，如在框112處所示，并且二氧化碳可以被收集，如在框114處所示。
[0052]如在框116處所示，在框104處從含二氧化碳氣體移除的過多熱量可以用于再生干燥劑和/或吸附劑材料。也考慮將在框104處收集的熱量施加到其他子系統。
[0053]因此，公開的系統10和方法100可以從含二氧化碳工藝氣體收集過多熱量——不論以何種方式必須被移除的熱量——并且可以結合一個或多個其他子系統利用所述收集的熱量，從而減少了系統和方法的總能量需求。
[0054]參照圖3和4，還公開了一種用于吸附目標分子諸如二氧化碳、水或二氧化碳和水的組合的單塊接觸器，通常標為200。在一個應用中，該單塊接觸器200可以在公開的系統10(圖1)的接觸室20(圖1)中使用。在另一個應用中，該單塊接觸器200可以在公開的系統10(圖1)的干燥劑室18(圖1)中使用。[0055]單塊接觸器200可以包括限定多個通道206的單塊體部202。通道206可以被布置成蜂窩結構204，其中通道206由單塊體部202的薄壁208限定。
[0056]單塊接觸器200可以由吸附劑材料形成。吸附劑材料可以是天然或合成的干燥吸附劑，諸如分子篩材料(例如，沸石材料)。吸附劑材料可以是多孔的或無孔的。例如，吸附劑材料可以是天然的或合成的沸石粉，如在本文中更詳細描述的，其可以被粘合、模制、鑄造或擠出以形成單塊體部202。適合于形成單塊接觸器200的吸附劑材料在上面結合在干燥劑室18(圖1)中使用的干燥劑材料和在接觸室20 (圖1)中使用的吸附劑材料進行了討論。
[0057]由于單塊接觸器200形成為吸附劑材料諸如多孔陶瓷、沸石或其他合適的吸附劑材料(例如，均質吸附劑材料)的單一單塊體部202，單塊體部202的外表面210和壁208的表面的磨損或降解可能暴露新鮮的沸石材料。因此，單塊接觸器200在某種意義上可以是長期自我維持系統，其要求相對少的維修或更換以保持性能。
[0058]在一個實施方式中，單塊接觸器200可以由沸石3A或類似物形成，其中數字表示可用孔徑，并且字母表示沸石的結構框架。沸石3A單塊接觸器200 (或多個沸石3A單塊接觸器200)可以在公開的系統10(圖1)的干燥劑室18(圖1)中使用以主要地以水分子為目標并將其從氣流中移除。
[0059]在另一個實施方式中，單塊接觸器200可以由沸石13X或類似物形成，其中數字表示可用孔徑，并且字母表示沸石的結構框架。沸石13X單塊接觸器200 (或多個沸石13X單塊接觸器200)可以在公開的系統10(圖1)的接觸室20(圖1)中使用以主要地以二氧化碳分子為目標并將其從氣流中移除。
[0060]就此而言，本領域技術人員將理解用來形成單塊接觸器200的吸附劑材料可以基于單塊接觸器200的預期用途(例如，目標分子)來選擇。吸附劑材料可以以多個孔隙開口、腔、以及通道大小、和框架Si/Al比提供，這取決于作為吸附目標的分子。
[0061]不受限于任何具體理論，目標分子(一種或多種)(例如，二氧化碳；水)可以通過靜電力(即，范德華力)——其是物理鍵而非化學鍵——保持在單塊體部202的表面(包括孔隙內)。因此，由于目標分子與單塊體部202的物理鍵合，與從化學鍵釋放二氧化碳相t匕，釋放二氧化碳所需的能量的量可以是最小的。如上所述，從單塊體部202的解吸可以通過熱和/或真空來實現。從單塊體部202解吸吸附的分子的過程可以再生單塊體部202，由此允許單塊接觸器200的進一步使用。
[0062]單塊體部202可以包括外表面210、入口端212和出口端214，并且可以以多種幾何形狀形成。如圖3中所示，單塊體部202可以包括長度L、寬度W、和高度H。
[0063]作為一個非限制性實例，單塊體部202可以包括長度L基本上大于寬度W和高度H的大體上矩形縱向形狀，和大體上直線橫截面形狀。作為另一個非限制性實例，單塊體部202可以包括長度L基本上等于寬度W和高度H的大體上正方形縱向形狀，和具有相同的寬度W和高度H的大體上正方形橫截面形狀。也考慮對單塊體部202使用任何其他幾何縱向和橫截面尺寸和形狀。
[0064]由單塊體部202限定的通道206可以是細長的通道，并且可以大體上與單塊體部202的縱軸D(圖3)平行延伸。例如，通道206可以從鄰近單塊體部202的入口端212 (即，在入口端處或附近)向鄰近單塊體部202的出口端214延伸。[0065]單塊體部202的入口端212可以具有橫截面積A (圖4)，其可以由單塊體部202的寬度W和高度H限定。同樣地，單塊體部202的出口端214可以具有橫截面積，其可以由單塊體部202的寬度W和高度H限定。盡管入口端212顯示為具有與出口端214的橫截面積基本上相同的橫截面積A，但本領域技術人員將理解入口端和出口端212、214的面積可以不同。
[0066]通道206可以是延伸通過單塊體部202的長度L的大體上柱形的通道。如圖4中所示，每個通道206可以具有限定開口面積A'的寬度W'和高度H'。因此，每個通道206可以在端視圖中具有正方形(或矩形)剖面。然而，也考慮其他端剖面，諸如規則形狀(例如，六角形、圓形、卵形)和不規則形狀。
[0067]單塊體部202的橫截面積A可以足以中斷氣體的流動，由此使氣體流動通過通道206從入口端212至出口端214。當氣體流過單塊體部202時，其可以與外表面210和通道壁208接觸，由此促進吸附。
[0068]在一種變型中，通道206可以是沿單塊體部202的長度L延伸的基本線性的通路，以允許干燥氣體30 (圖1)的流從入口端212通過作為接觸室20 (圖1)的部件的單塊接觸器200并從出口端214流出；或允許部分干燥氣體28 (圖1)的流通過作為干燥劑室18 (圖1)的部件的單塊接觸器200。
[0069]在另一種變型中，通道206可以包括沿單塊體部202的長度L延伸的非線性通路。具有非線性通路或方向變化的通道206可以增加驅動氣體流動通過單塊接觸器200所需的能量，并且可以增加壓降。本領域技術人員可以理解，由通道206形成的縱向通路的線性特征變化可以取決于多種因素，包括氣流沿縱軸D通過單塊接觸器200的期望的流速或壓降。
[0070]與非線性通道相比，線性延伸的通道206 (例如，沿縱向方向D軸向延伸)的特殊優點在于需要較少的能量以驅動氣流動體通過單塊接觸器200和當氣體沿縱向方向D流動通過通道206時減小的壓降。
[0071]通道206可以鄰接地布置并且可以沿單塊體部202的縱軸D(圖3)平行延伸。每單位橫截面積的通道206數目(例如，通道密度)可以依賴于多種因素變化，諸如流速。一種表達是，單塊體部202可以包括至少約10個通道206/每平方英寸單塊體部202 (在端視圖中)。另一種表達是，單塊體部202可以包括至少約20個通道206/每平方英寸。另一種表達是，單塊體部202可以包括至少約50個通道206/每平方英寸。另一種表達是，單塊體部202可以包括至少約100個通道206/每平方英寸。另一種表達是，單塊體部202可以包括約20-約500個通道206/每平方英寸。又另一種表達是，單塊體部202可以包括約100-約400個通道206/每平方英寸。
[0072]通常，單塊體部202的蜂窩結構204 (圖4)可以提供通道206的預定矩陣，使得延伸通過通道206的通路可以是一致的和可控的。單塊結構的使用，以及通道206的矩陣的一致幾何形狀以及阻力的最小化，允許通過設計控制通過單塊接觸器200的流速和壓降并且因此控制用于驅動氣流所需的能量。這與使用用于吸附二氧化碳的吸附劑團粒的填充床形成鮮明對比，所述填充床典型地需要顯著更多的能量用于驅動氣流通過隨機的孔隙而穿過填充的團粒。
[0073]本領域技術人員可以理解，單塊體部202的形狀，以及通道206的形狀、尺寸和構造可以被優化以保持最大的表面積用于吸附二氧化碳并使通過單塊接觸器200的流阻最小化。不限于任何具體理論，認為，使用單塊體部202實現的表面積與體積比優于使用其他材料(懸浮的胺)或構造(填充床)，并且使用其他材料(懸浮的胺)或構造(填充床)不能實現。因此，采用公開的單塊體部202的系統與使用其他材料和構造的系統相比可以具有相對小的占地面積(footprint)。
[0074]優化單塊體部202和通道206的尺寸、形狀和構造可以使大量的二氧化碳(或其他目標分子)被吸附，同時使總占地面積和諸如通過空氣移動裝置14(圖1)驅動氣流圍繞和通過單塊接觸器200所需的功率/能量最小化，由此使運行成本最小化。因此，使用物理吸附過程接著真空解吸的組合一其可以需要比傳統化學吸附過程顯著更少的再生用能量，具有與單塊結構相關的低壓降，可以顯著地減少系統的總能量成本和總占地面積。
[0075]單塊接觸器200的結構構造和形狀還可以包括由于單塊體部202的蜂窩結構204而具有的高結構完整性，使得單塊接觸器200可以在寬范圍的溫度、壓力和環境條件下是穩定的。
[0076]參照圖5，還公開了一種用于制造單塊接觸器的方法，通常標為300。方法300通常可以包括將天然或合成的吸附劑組合物粘合、模制或擠出成粘合的單塊體部的步驟。方法300可以在框302處以制備和提供吸附劑組合物的步驟開始。如框304中所示，吸附劑組合物可以穿過(例如，推過或拉過)擠出機的模具以形成擠出的單塊體部，所述單塊體部形成單塊接觸器，所述模具具有匹配設計的形狀和構造的橫截面。如框306中所示，可以使擠出的單塊體部干燥成生坯狀態。如框308中所示，干燥的單塊體部可以被燒制(B卩，燒制干燥)，諸如在窯中。例如，干燥的單塊體部可以通過將溫度緩慢地升高達700°C，然后在700°C保持30分鐘來燒制。可以使用多種其他的燒制溫度和時間。
[0077]吸附劑組合物可以包括載體、粘合劑和吸附劑材料。例如，吸附劑材料可以是沸石材料。沸石材料可以是沸石3A、沸石13X等。一種表達是，吸附劑材料可以是粉末形式。載體可以是用來懸浮沸石材料并增加濕度的任何合適的液體物質，諸如水、醇、水和醇等等。載體的類型可以依賴于所需形式的粘度要求而變化，例如，鑄造、滑移澆鑄或擠出所需的。粘合劑可以是二氧化硅、氧化鋁、磷酸鹽或任何其他合適的粘合劑。一旦被干燥和燒制，通過將沸石顆粒燒結在一起，粘合劑可以提供沸石顆粒之間的橋接和交聯。
[0078]可選地，載體和粘合劑可以作為吸附劑組合物的單一組分提供，其中粘合劑可以懸浮在液體載體內。例如，粘合劑/載體系統可以是膠體二氧化硅、膠體氧化鋁等。也考慮使用其他粘合劑/載體系統。
[0079]使用水溶性膠體二氧化硅作為粘合劑可以包繞和滲入沸石顆粒。粘合劑可以具有合適的濃度以便為單塊接觸器提供增加的強度，同時不削弱沸石材料的物理性能，諸如損失孔隙率或降低吸附性能。
[0080]使用水溶性膠體二氧化硅與附加的小量磷酸鹽作為粘合劑可以提供合適的耐久的和穩固的單塊接觸器，其可以維持測試并且可以多次循環，而不會使吸附效率劣化。磷酸鹽可以用來輔助膠體二氧化硅燒結同時保持沸石粉的材料特性，諸如孔形狀，而不損失效率(即，吸附二氧化碳的能力)。另外地，磷酸鹽添加劑可以比單獨二氧化硅粘合劑為單塊接觸器提供更高的強度。
[0081]考慮由沸石13X形成的單塊接觸器可以能夠從具有至少10%的二氧化碳濃度的氣流吸附(即，收集)80%或更多的可用二氧化碳。[0082]參照圖6，在圖1中所示的公開的系統10的另一實施方式中，多個單塊接觸器200可以在容器中被堆疊、聚集或另外地組裝以形成干燥劑室18(圖1)或接觸室20 (圖1)。單塊體部202的穩固性質可以允許多個單塊接觸器200支撐另外堆疊的多個單塊接觸器200的重量。在這樣的組件中，特定的單塊接觸器200或系列的單塊接觸器200可以根據需要被個別地或作為一組移除或替換。圖6圖解了系統的接觸室20(圖1)的一個實施方式；然而，可以理解干燥劑室18(圖1)可以以基本上相似的方式構造。
[0083]接觸室20'可以包括保存容器70，諸如罐，其具有側壁72和中空的內部容積74。多個單塊接觸器200'可以在內部容積74內堆疊或聚集成陣列。一個或多個熱交換器58可以布置在并遍布于內部容積74內。任選地，熱交換器58可以與單塊接觸器200'中的一個或多個直接接觸。例如，熱交換器58可以是加熱帶、膜加熱器、帶加熱器、夾置加熱器(clamp-on heater)等。在一種執行方式中,熱交換器58 (例如,帶加熱器)可以圍繞每個單塊接觸器200'的外表面纏繞。在另一種執行方式中，熱交換器(例如，帶加熱器)可以被夾在堆疊成排的或堆疊成列的單塊接觸器20(V之間，由此形成分層的加熱構造。任選地，填料76可以布置在內部容積74內并圍繞多個單塊接觸器200'。填料76阻斷氣體的流動并且防止氣體在單塊接觸器200'中的一個或多個周圍的高度流動。因此，大部分氣體流動被強制在單塊接觸器200的外部上并且通過通道206 (圖4)以增加吸附。作為一個實例，填料76可以是木框或木材填料。作為另一個實例，填料76可以是惰性材料，諸如陶瓷材料。在一種執行方式中，陶瓷材料可以被切割或另外地成形以適宜地填充單塊接觸器200/和容器70之間的間隙(例如，成形的陶瓷填料)。填料76還可以穩定單塊接觸器200的堆疊陣列。任選地，填料76可以向接觸室20'提供絕熱。
[0084]任選地，填塞填料78可以施加在熱交換器58上或熱交換器58周圍或熱交換器58和單塊接觸器200'中的一個或多個之間。填塞填料78阻斷氣體的流動并且防止氣體在單塊接觸器200'中的一個或多個周圍的高度流動。因此，大部分氣體流動被強制在單塊接觸器200的外部上并且通過通道206 (圖4)以增加吸附。作為一個實例，填塞填料78可以是木材。作為另一個實例，填塞填料78可以是惰性材料，諸如陶瓷材料。在一種執行方式中，陶瓷材料可以被切割或另外地成形以適宜地填充單塊接觸器200'和熱交換器58之間的間隙(例如，成形的陶瓷填塞填料)。
[0085]本領域技術人員可以理解，當上述構造用作系統10(圖1)的接觸室20(圖1)時，單塊接觸器200可以使用沸石13X形成以吸附二氧化碳分子。本領域技術人員還可以理解，當上述構造用作干燥劑室18(圖1)時，單塊接觸器200可以由沸石3A形成以吸附水分子。
[0086]盡管已經顯示和描述了公開的系統和方法的多個方面，但在閱讀本說明書后本領域技術人員可以想到各種改動。本申請包括這些改動并且僅由權利要求的范圍限制。
[0087]條款1.單塊接觸器200，包括:單塊體部202，其具有入口端212和與所述入口端212相對的出口端214，其中所述單塊體部202包括吸附劑材料，并且其中所述單塊體部202限定多個從鄰近所述入口端202向鄰近所述出口端214延伸的通道206。
[0088]條款2.條款I所述的單塊接觸器，其中所述吸附劑材料包括分子篩材料。
[0089]條款3.條款I所述的單塊接觸器，其中所述吸附劑材料包括沸石材料。
[0090]條款4.條款3所述的單塊接觸器，其中所述沸石材料包括沸石13X。
[0091]條款5.條款3所述的單塊接觸器，其中所述沸石材料包括沸石3A。[0092]條款6.條款I所述的單塊接觸器，其中所述多個通道206基本上是直線的。
[0093]條款7.條款I所述的單塊接觸器，其中所述多個通道206具有每平方英寸至少10個通道的通道密度。
[0094]條款8.條款I所述的單塊接觸器，其中所述多個通道206具有每平方英寸至少50個通道的通道密度。
[0095]條款9.條款I所述的單塊接觸器，其中所述多個通道206具有每平方英寸至少100個通道的通道密度。
[0096]條款10.條款I所述的單塊接觸器，其中所述多個通道206具有每平方英寸約100個至約400個通道范圍的通道密度。
[0097]條款11.條款I所述的單塊接觸器，其中所述單塊體部202限定縱軸D，并且其中所述多個通道206中的每個通道沿所述縱軸D是細長的。
[0098]條款12.條款I所述的單塊接觸器，其中所述單塊體部202還包括粘合劑。
[0099]條款13.接觸室，包括:容器70 ;和容納在所述容器70中的條款I所述的單塊接觸器200。
[0100]條款14.布置成陣列的多個條款I所述的單塊接觸器200'。
[0101]條款15.從工藝氣體26收集二氧化碳的系統，所述系統包括用于從所述干燥氣體吸附二氧化碳的接觸室20，其中所述接觸室20容納單塊接觸器200，所述單塊接觸器200包括:單塊體部202，其具有入口端212和與所述入口端212相對的出口端214 ;其中所述單塊體部202包括沸石材料；并且其中所述單塊體部202限定多個從鄰近所述入口端212向鄰近所述出口端214延伸的通道206。
[0102]條款16.條款15所述的系統，其中所述沸石材料包括沸石13X。
[0103]條款17.條款15所述的系統，其中所述接觸室20容納多個所述單塊接觸器200。
[0104]條款18.條款15所述的系統，還包括干燥劑室18用于從所述工藝氣體26移除水以產生基本上干燥的氣體。
[0105]條款19.條款18所述的系統，其中所述干燥劑室18容納第二沸石材料。
[0106]條款20.條款18所述的系統，其中所述第二沸石材料組裝為限定多個第二通道的
第二單塊體部。
[0107]條款21.條款15所述的系統，還包括冷凝器16用于從工藝氣體26移除熱量。
[0108]條款22.—種制造單塊接觸器的方法，包括以下步驟:制備包含載體、粘合劑和吸附劑材料的吸附劑組合物[過程302];擠出所述吸附劑組合物以形成限定多個通道的單塊體部[過程304];干燥所述單塊體部[過程306];以及燒制干燥所述干燥的單塊體部[過程 308]。
[0109]條款23.條款22所述的方法，其中所述吸附劑材料選自沸石13X和沸石3A。
[0110]條款24.—種用于收集二氧化碳的方法，包括以下步驟:提供包含二氧化碳和水的氣態混合物[過程102]，和從所述氣態混合物將至少一部分所述二氧化碳吸附到單塊接觸器上，所述單塊接觸器包括組裝為限定多個通道的單塊體部的沸石材料[過程108]。
[0111]條款25.條款24所述的方法，其中所述沸石材料包括沸石13X。
[0112]條款26.條款24所述的方法，還包括以下步驟:從所述氣態混合物將至少一部分所述水吸附到第二單塊接觸器以形成基本上干燥的氣態混合物，所述第二單塊接觸器包括被組裝為限定多個第二通道的第二單塊體部的第二沸石材料；并且從所述干燥的氣態混合物將至少一部分所述二氧化碳吸附到所述單塊接觸器上。
[0113]條款27.條款26所述的方法，其中所述沸石材料包括沸石13X并且所述第二沸石材料包括沸石3A。
[0114]條款28.條款26所述的方法，還包括以下步驟:從所述氣態混合物移除熱量[過程104];并轉移所述移除的熱量。
【權利要求】
1.單塊接觸器200，包括: 單塊體部202，其具有入口端212和與所述入口端212相對的出口端214， 其中所述單塊體部202包括吸附劑材料，并且 其中所述單塊體部202限定從鄰近所述入口端202向鄰近所述出口端214延伸的多個通道206。
2.權利要求1所述的單塊接觸器，其中所述吸附劑材料包括分子篩材料。
3.權利要求1所述的單塊接觸器，其中所述吸附劑材料包括沸石材料。
4.權利要求1所述的單塊接觸器，其中所述多個通道206基本上是直線的。
5.權利要求1所述的單塊接觸器，其中所述多個通道206具有每平方英寸至少10個通道的通道密度。
6.權利要求1所述的單塊接觸器，其中所述多個通道206具有范圍從每平方英寸100個至400個通道的通道密度。
7.權利要求1所述的單塊接觸器，其中所述單塊體部202限定縱軸D，并且其中所述多個通道206中的每個通道沿所述縱軸D是細長的。
8.權利要求1所述的單塊接觸器，其中所述單塊體部202還包括粘合劑。
9.接觸室，包括: 容器70 ;和 容納在所述容器70中的權利要求1所述的單塊接觸器200。
10.布置成陣列的多個權利要求1所述的單塊接觸器200'。
11.制造單塊接觸器的方法，包括以下步驟: 制備包含載體、粘合劑和吸附劑材料的吸附劑組合物； 擠出所述吸附劑組合物以形成限定多個通道的單塊體部； 干燥所述單塊體部；以及 燒制干燥所述干燥的單塊體部。
12.權利要求11所述的方法，其中所述吸附劑材料選自沸石13X和沸石3A。
【文檔編號】B01D53/04GK103990352SQ201410048998
【公開日】2014年8月20日 申請日期:2014年2月12日 優先權日:2013年2月14日
【發明者】D·J·渥爾曼, D·A·加拉索, J·A·馬格努森, G·D·格雷森, T·H·克羅克斯 申請人:波音公司