Устройство и система для осуществления процессов короткоцикловой адсорбции

Предложены устройство и системы для осуществления процесса короткоцикловой адсорбции. Данный процесс короткоцикловой адсорбции может включать осуществление процесса режима запуска перед началом процесса режима нормальной работы для удаления загрязнителей из газообразного сырьевого потока. Процесс режима запуска может использоваться для процессов короткоцикловой адсорбции, таких как TSA и/или PSA, которые используются для удаления одного или более загрязнителей из газообразного сырьевого потока. Изобретение позволяет сократить время запуска короткоцикловой адсорбции. 2 н. и 27 з.п. ф-лы, 10 ил.

 

ПЕРЕКРЕСТНЫЕ ССЫЛКИ НА РОДСТВЕННЫЕ ЗАЯВКИ

[0001] Данная заявка испрашивает приоритет на основании предварительной патентной заявки США № 62/343426 от 31 мая 2016 года, озаглавленной «APPARATUS AND SYSTEM FOR SWING ADSORPTION PROCESSES», которая в полном объеме включена в настоящее описание посредством ссылки.

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ

[0002] Настоящее изобретение относится к способу и системе, связанным с процессами короткоцикловой адсорбции, используемыми в кондиционировании потоков для последующей обработки. В частности, способ и система включают процесс режима запуска для процесса короткоцикловой адсорбции, который далее используется для запуска процесса последующей обработки.

УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ

[0003] Разделение газов используется во многих областях промышленности и, как правило, может осуществляться путем пропускания смеси газов через адсорбирующий материал, который преимущественно адсорбирует один или более газовых компонентов, при этом не адсорбируя один или более других газовых компонентов. Неадсорбированные компоненты извлекаются как отдельный продукт.

[0004] Одним конкретным типом технологии разделения газов является короткоцикловая адсорбция, такая как адсорбция с перепадом температуры (TSA), адсорбция с перепадом давления (PSA), адсорбция с перепадом парциального давления (PPSA), адсорбция с перепадом температуры с частыми циклами (RCTSA), адсорбция с перепадом давления с частыми циклами (RCPSA), адсорбция с перепадом парциального давления с частыми циклами (RCPPSA), не ограничивающаяся перечисленным, но также включающая комбинации указанных выше процессов, такие как адсорбция с перепадом давления и температуры. В качестве примера, процессы PSA основаны на том, что газы легче адсорбируются в пористой структуре или в свободном объеме адсорбирующего материала, когда газ находится под давлением. То есть, чем выше давление газа, тем больше поглощенное количество легко адсорбирующегося газа. Когда давление понижают, адсорбированный компонент высвобождается или десорбируется из адсорбирующего материала.

[0005] Процессы короткоцикловой адсорбции (например, PSA и/или TSA) могут использоваться для разделения газов газовой смеси, поскольку различные газы имеют тенденцию к заполнению микропор адсорбирующего материала в различной степени. Например, если газовая смесь, такая как природный газ, пропускается под давлением через емкость, содержащую адсорбирующий материал, который является более селективным по отношению к углекислому газу, чем к метану, по меньшей мере часть углекислого газа селективно адсорбируется адсорбирующим материалом, и газ, выходящий из емкости, обогащается метаном. Когда адсорбирующий материал достигает предела своей способности адсорбировать углекислый газ, его регенерируют понижением давления, в результате чего высвобождается адсорбированный углекислый газ. Затем адсорбирующий материал обычно продувают и давление снова восстанавливают перед началом другого цикла адсорбции.

[0006] Процессы короткоцикловой адсорбции обычно включают использование устройств с адсорбционным слоем, которые содержат адсорбционные слои, расположенные внутри корпуса и выполненные с возможностью поддерживать текучие среды при различных давлениях для разных стадий цикла в устройстве. Эти устройства с адсорбционным слоем используют различный насадочный материал в структурах слоя. Например, в устройствах с адсорбирующим слоем используется насадочный кирпич, слои шариковой засыпки или другие доступные насадки. В качестве усовершенствования, некоторые устройства с адсорбционным слоем могут использовать сконструированную насадку в структуре слоя. Сконструированная насадка может включать материал, выполненный в специфической конфигурации, такой как сотовые, керамические формы или тому подобное.

[0007] Кроме того, различные устройства с адсорбционным слоем могут быть соединены трубопроводами и клапанами для регулирования потока текучих сред в течение цикла. Управление этими устройствами с адсорбционным слоем включает координирование стадий в цикле для каждого из устройств с адсорбционным слоем с другими устройствами с адсорбционным слоем в системе. Продолжительность полного цикла может варьировать от нескольких секунд до нескольких минут, поскольку в нем транспортируется множество газовых потоков через одно или более устройство с адсорбционным слоем.

[0008] Как может быть понятно, удаление загрязнителей может привести к тому, что процесс будет работать в различных режимах, таких как режим запуска и режим нормальной работы. Режим запуска может использоваться для подготовки оборудования (например, адсорбционного слоя и разных потоков) для режима нормальной работы. Режим нормальной работы может использоваться, когда процесс принимает различные потоки, такие как газообразный сырьевой поток, и удаляет загрязнители из газообразного сырьевого потока с получением потока продукта, что может быть названо стационарным состоянием. Например, традиционные процессы могут работать в режиме нормальной работы для очистки углеводородсодержащих потоков, содержащих воду (H₂O) или углекислый газ (CO₂), с получением потока для последующей обработки, такой как выделение газоконденсатной жидкости (ГКЖ) или получение сжиженного природного газа (СПГ). Режимы нормальной работы могут быть разными для каждого из соответствующих процессов последующей обработки, с учетом соответствующих спецификаций/требований, которые используются для режима нормальной работы. Например, типичное требование/спецификация СПГ требует, чтобы содержание CO₂ составляло менее 50 молярных частей на миллион (ч./млн).

[0009] Во время режима запуска цикл может отличаться от цикла, используемого для режима нормальной работы. Традиционные системы могут использовать единственную стадию нагревания для регенерации адсорбирующего материала при высоких температурах для удаления любых загрязнений в качестве цикла режима запуска. Например, процесс запуска, использующий молекулярно-ситовое устройство, может включать в себя нагревание слоя до температур свыше 550°F (288°С).

[0010] К сожалению, традиционные процессы режима запуска имеют определенные ограничения. Например, процесс в режиме запуска может включать простое нагревание адсорбирующего материала до высоких температур. Нагревание адсорбирующего материала до высоких температур в традиционных подходах обычно зависит от специальных высокотемпературных пусковых нагревателей. Эти нагреватели являются дорогостоящими, предполагают большие капиталовложения и высокие эксплуатационные затраты. В дополнение к этому, данные нагреватели увеличивают вес и занимаемую площадь оборудования. Кроме того, продолжительность цикла обычно оказывается больше, чем необходимо для удаления загрязнителей, чтобы гарантировать, что расположенное ниже по потоку оборудование будет иметь достаточное время для начала работы. В дополнение к этому, температура, воздействию которой подвергается адсорбирующий материал, может сокращать срок службы адсорбирующего материала и снижать эффективность адсорбирующего материала.

[0011] Соответственно, в промышленности по-прежнему существует потребность в устройствах, способах и системах, которые обеспечивают усовершенствования процессам запуска, связанным с процессами добычи углеводородов. В частности, существует потребность в усовершенствованиях процессов режима запуска для процессов адсорбции с частыми циклами.

СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ

[0012] В одном или более вариантах осуществления способы настоящего изобретения включают способ удаления загрязнителей из газообразного сырьевого потока с помощью процесса короткоцикловой адсорбции. Способ включает: а) осуществление стадии продувки, при этом стадия продувки включает пропускание внешнего газового потока через устройство с адсорбционным слоем для удаления одного или более загрязнителей из адсорбционного слоя внутри корпуса устройства с адсорбционным слоем, с образованием потока продукта продувки; b) осуществление одной или более стадий адсорбции, при этом каждая из одной или более стадий адсорбции включает пропускание газообразного сырьевого потока через устройство с адсорбционным слоем, имеющее адсорбционный слой для отделения одного или более загрязнителей от газообразного сырьевого потока, с образованием потока продукта; c) определение того, соответствует ли поток продукта требованию по загрязнителю; d) если поток продукта соответствует требованию, то поток продукта направляют в процесс последующей обработки; и е) если поток продукта не соответствует требованию, то стадии а) - d) повторяют в течение по меньшей мере одного дополнительного цикла.

[0013] В еще одном варианте осуществления описана система короткоцикловой адсорбции. Система включает в себя множество коллекторов; множество устройств с адсорбционным слоем, соединенных с множеством коллекторов, и перепускной клапан внешнего газа, находящийся в сообщении по текучей среде с коллектором продувки и выполненный с возможностью обеспечения канала потока для внешнего газового потока из емкости для хранения внешнего газа в коллектор продувки в положении режима запуска, и выполненный с возможностью блокирования канала потока внешнего газового потока из емкости для хранения внешнего газа в коллектор продувки в положении режима нормальной работы. Множество коллекторов включает коллектор сырья, выполненный с возможностью обеспечения прохождения сырьевого потока ко множеству устройств с адсорбционным слоем во время стадии адсорбции, коллектор продукта, выполненный с возможностью обеспечения прохождения потока продукта из множества устройств с адсорбционным слоем во время стадии адсорбции, коллектор продувки, выполненный с возможностью обеспечения прохождения потока продувки ко множеству устройств с адсорбционным слоем во время стадии регенерации, коллектор продукта продувки, выполненный с возможностью обеспечения прохождения потока продукта продувки из множества устройств с адсорбционным слоем во время стадии регенерации. Каждый коллектор из множества коллекторов связан с одной стадией процесса короткоцикловой адсорбции из множества стадий процесса короткоцикловой адсорбции. Каждое из устройств с адсорбционным слоем содержит корпус; адсорбирующий материал, расположенный внутри корпуса; множество клапанов, при этом по меньшей мере один из множества клапанов связан с одним из множества коллекторов и выполнен с возможностью регулирования потока текучей среды вдоль пути потока, проходящего между соответствующим коллектором и адсорбирующим материалом.

[0014] В некоторых вариантах осуществления система или способ могут включать в себя некоторые модификации. Множество клапанов может содержать один или более тарельчатых клапанов; множество коллекторов и/или множество устройств с адсорбционным слоем может быть выполнено с возможностью работы при давлениях в диапазоне от 0,1 бар абс. до 100 бар абс. (0,01-10 МПа абс.); система может включать в себя нагревательное устройство, расположенное выше по потоку от коллектора продувки и ниже по потоку от емкости для хранения внешнего газа, при этом нагревательное устройство может быть выполнено с возможностью нагревания внешнего газового потока до температуры в диапазоне между температурой от 450°F (232°С) до температуры газообразного сырьевого потока, или в диапазоне между температурой от 450°F (232°С) до температуры, превышающей температуру газообразного сырьевого потока на 100°F (56°С); система может включать в себя установку кондиционирования, расположенную ниже по потоку от коллектора продукта продувки и выше по потоку от емкости для хранения внешнего газа, при этом установка кондиционирования может быть выполнена с возможностью удаления одного или более загрязнителей из потока продукта продувки; при этом множество коллекторов также содержит коллектор сброса давления, выполненный с возможностью прохождения потока сброса давления из множества устройств с адсорбционным слоем во время стадии сброса давления; и система может включать в себя установку сжиженного природного газа, находящуюся в сообщении по текучей среде с устройством с адсорбционным слоем и выполненную с возможностью приема потока продукта и разделения потока продукта на поток конечного продукта и топливный поток мгновенного испарения, при этом топливный поток мгновенного испарения может быть подан в коллектор продувки. Кроме того, внешний газовый поток может содержать поток азота, содержащий преимущественно азот с менее чем 0,1 ч./млн воды, менее чем 1 ч./млн воды или менее чем 10 ч./млн воды, или по меньшей мере один газ из азота, метана, гелия, водорода или любого их сочетания.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

[0015] Вышеуказанные и другие преимущества настоящего изобретения могут стать очевидными при рассмотрении следующего подробного описания и чертежей неограничивающих примеров вариантов осуществления.

[0016] На фиг.1 представлена трехмерная схема системы короткоцикловой адсорбции с шестью устройствами с адсорбционным слоем и соединительными трубопроводами в соответствии с вариантом осуществления способов настоящего изобретения.

[0017] На фиг.2 представлена схема части устройства с адсорбционным слоем, имеющей связанные клапанные сборки и коллекторы в соответствии с вариантом осуществления способов настоящего изобретения.

[0018] На фиг.3 представлена иллюстративная блок-схема для осуществления режима внешнего запуска процесса короткоцикловой адсорбции в соответствии с вариантом осуществления способов по настоящему изобретению.

[0019] На фиг.4 представлена иллюстративная диаграмма стадии режима запуска в соответствии с вариантом осуществления способов по настоящему изобретению.

[0020] На фиг.5А и фиг.5В представлены иллюстративные диаграммы, связанные с другой стадией режима запуска в соответствии с вариантом осуществления способов по настоящему изобретению.

[0021] На фиг.6 представлена иллюстративная диаграмма, связанная с еще одной стадией режима запуска в соответствии с вариантом осуществления способов по настоящему изобретению.

[0022] На фиг.7 представлена иллюстративная диаграмма, связанная с другой стадией режима запуска в соответствии с вариантом осуществления способов по настоящему изобретению.

[0023] На фиг.8 представлена иллюстративная диаграмма, связанная с еще одной стадией режима запуска в соответствии с вариантом осуществления способов по настоящему изобретению.

[0024] На фиг.9 представлена иллюстративная диаграмма, связанная с режимом нормальной работы.

ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

[0025] Если не определено иное, все технические и научные термины, употребляемые в настоящем документе, имеют такое же значение, какое обычно понимается специалистом в области техники, к которой принадлежит данное изобретение. Формы слов единственного числа включают соответствия во множественном числе, если из контекста явно не следует иное. Аналогичным образом, слово «или» предполагает включение «и», если из контекста явно не следует иное. Термин «включает» означает «содержит». Все патенты и публикации, упоминающиеся в настоящем документе, включены посредством ссылки в полном объеме, если не указано иное. В случае конфликта в отношении значения термина или фразы, настоящее описание, включающее объяснения терминов, имеет приоритет. Термины направления, такие как «верхний», «нижний», «верх», «низ», «передний», «задний», «вертикальный» и «горизонтальный», используются здесь для выражения и пояснения взаимосвязи между различными элементами. Следует понимать, что такие термины не обозначают абсолютную ориентацию (например, «вертикальный» компонент может стать «горизонтальным» при вращении устройства). Материалы, способы и примеры, приведенные в настоящем описании, являются только иллюстративными и не предназначены для ограничения.

[0026] Используемый в настоящем документе термин «поток» относится к текучей среде (например, твердым веществам, жидкости и/или газу), проходящей через различное оборудование. Оборудование может включать трубопроводы, сосуды, коллекторы, установки или другие подходящие устройства.

[0027] Используемый в настоящем документе термин «трубопровод» относится к трубчатому элементу, образующему канал, по которому что-либо транспортируется. Трубопровод может включать в себя одну или более трубу, коллектор, трубку или тому подобное.

[0028] Предложенные процессы, устройство и системы способов настоящего изобретения могут использоваться в процессах короткоцикловой адсорбции для удаления загрязнителей (CO₂, H₂O и H₂S) из сырьевых потоков, таких как углеводородсодержащие потоки. Как может быть понятно и как отмечалось выше, углеводородсодержащие сырьевые потоки могут иметь различные составы. Например, газообразный сырьевой поток может быть углеводородсодержащим потоком, имеющим более 1 об.% углеводородов в расчете на общий объем сырьевого потока. В качестве другого примера, углеводородные сырьевые потоки могут варьировать в широких пределах по количеству кислого газа, например, от нескольких частей на миллион кислого газа до 90 объемных процентов (об.%) кислого газа. Неограничивающие примеры концентраций кислого газа из иллюстративных источников запасов газа включают концентрации приблизительно: (a) 4 ч./млн H₂S, 2 об.% CO₂, 100 ч./млн H₂O, (b) 4 ч./млн H₂S, 0,5 об.% CO₂, 200 ч./млн H₂O, (с) 1 об.% H₂S, 2 об.% CO₂, 150 ч./млн H₂O, (d) 4 ч./млн H₂S, 2 об.% CO₂, 500 ч./млн H₂O, и (e) 1 об.% H₂S, 5 об.% CO₂, 500 ч./млн H₂O. Кроме того, в некоторых случаях углеводородсодержащий поток может включать преимущественно углеводороды с определенными количествами CO₂ и/или воды. Например, углеводородсодержащий поток может содержать более 0,00005 об.% CO₂, исходя из общего объема газообразного сырьевого потока, и менее 2 об.% CO₂ исходя из общего объема газообразного сырьевого потока; или менее 10 об.% CO₂, исходя из общего объема газообразного сырьевого потока. Обработка сырьевых потоков может стать более проблематичной, если необходимо соответствие определенным спецификациям/требованиям.

[0029] Удаление загрязнителей может осуществляться с помощью процессов короткоцикловой адсорбции во время нормальной работы с получением потока для дальнейшей обработки, такой как извлечение ГКЖ и/или получение СПГ. Например, сырьевые потоки природного газа для применений сжиженного природного газа (СПГ) имеют строгие требования по содержанию CO₂, чтобы обеспечить отсутствие образования твердого СО₂ при криогенных температурах. Спецификации на СПГ могут включать содержание СО₂ не более 50 ч./млн. Такие спецификации не применяются к потокам природного газа в трубопроводных сетях, которые могут включать содержание CO₂ до 2 об.%, исходя из общего объема газообразного сырьевого потока. В связи с этим, для установок СПГ, которые используют трубопроводный газ (например, природный газ) в качестве неочищенного сырья, для дальнейшей очистки потока используются дополнительная очистка или стадии обработки. Кроме того, способы настоящего изобретения могут использоваться для снижения содержания воды в потоке до менее чем 0,1 ч./млн. Приводимые в качестве примера процессы и конфигурации короткоцикловой адсорбции могут включать приведенные в патентных заявках США №№ 62/213262, 62/213267, 62/213270, 62/213273, 62/246916, 62/246920 и 62/246922, каждая из которых включена в настоящий документ посредством ссылки.

[0030] Способы настоящего изобретения предлагают конфигурации и процессы, которые используются для улучшения режима запуска процесса короткоцикловой адсорбции и связанных процессов последующей обработки. В то время как процессы нормального режима работы описываются на основе работы в стационарном состоянии, процедуры режима запуска включают разные циклы до начала режима нормальной работы. Настоящее изобретение описывает различные способы, которые могут использоваться для перехода от режима запуска в режим нормальной работы. В режиме запуска каждый из адсорбционных слоев, используемых в процессе короткоцикловой адсорбции, считается находящимся в равновесии с загрязнителями. Для обезвоживающих применений загрязнителем является вода (H₂O), в то время как для применений углекислого газа (СО₂) загрязнителем является либо Н₂О (например, находящаяся в равновесии с атмосферой), либо СО₂ (например, в случае остановки). Соответственно, режим запуска используется для удаления загрязнителей, чтобы подготовить адсорбционные слои для режима нормальной работы. В частности, последовательность режима запуска может использоваться для процессов короткоцикловой адсорбции (например, обезвоживания и удаления низких содержаний CO₂) выше по потоку или интегрированных с ГКЖ- и СПГ-применениями.

[0031] Процесс режима запуска может включать использование внешней среды для удаления одного или более загрязнителей из адсорбционных слоев. В режиме внешнего запуска используют внешнюю среду для удаления одного или более загрязнителей из адсорбционных слоев. Внешняя среда может включать использование внешнего газового потока, который циркулирует через адсорбционные слои для удаления одного или более загрязнителей из адсорбционных слоев во время стадии регенерации (например, стадии продувки). Внешний газовый поток может включать азот, сухой метан или другой нереакционноспособный поток в рабочих условиях процесса. Например, внешний поток может включать преимущественно азот или метан с менее чем 0,1 ч./млн воды, менее чем 1 ч./млн воды или менее чем 10 ч./млн воды. Внешний газовый поток может содержать по меньшей мере один газ из азота, метана, гелия, водорода или любого их сочетания.

[0032] Например, в применениях для обезвоживания внешний газовый поток, такой как сухой азот, (например, поток азота, содержащий менее 0,1 ч./млн воды, менее 1 ч./млн воды или менее 10 ч./млн воды), может использоваться для удаления воды из адсорбционных слоев во время режима запуска. Когда поток сухого азота вводится в каждый из адсорбционных слоев, которые находится в равновесии с окружающей водой, часть воды переносится из адсорбирующего материала в адсорбционном слое в поток сухого азота. Последовательность режима запуска может включать подачу сырья в адсорбционный слой во время стадии адсорбции и использование внешнего потока для продувки адсорбционного слоя во время стадии продувки. Цикл режима запуска может продолжать использовать сухой азот до тех пор, пока достаточное количество воды не будет удалено из каждого из адсорбционных слоев и не будет достигнут желаемый профиль слоя для адсорбционных слоев. В этом случае, образующийся в результате поток продукта из адсорбционных слоев будет находится в пределах требуемого требования (например, ниже конкретных уровней загрязнителей для потока продукта). В дополнение к этому, режим запуска может включать проведение стадии продувки сухим азотом до достижения достаточного количества влаги, и после этого начинать описанную выше последовательность. В такой конфигурации поток продукта может находиться в пределах требования с первого цикла.

[0033] Как только поток продукта окажется в пределах требуемого требования, поток продукта может использоваться в процессе режима запуска для процессов последующей обработки, таких как деметанизатор или линия сжижения природного газа. По мере того как процессы и установки последующей обработки запускаются, адсорбционные слои продолжают регенерацию с использованием внешнего газового потока, такого как поток сухого азота. В качестве альтернативы, нагретый отводимый поток со стороны продукта также можно использовать для регенерации отработанных адсорбционных слоев. По мере того как, процесс последующей обработки начинает образовывать поток продувки, этот поток продувки может быть объединен с внешним газовым потоком и количество внешнего газового потока, используемое на стадии продувки, может быть скорректировано. Как только процессы последующей обработки начинают нормальную работу, желаемый поток продувки (например, находящийся в диапазоне желаемых спецификаций/требований), такой как остаточный газовый поток или поток топливного газа, подается в адсорбционный слой как часть режима нормальной работы. В этот момент регенерирующий поток адсорбционного слоя переводится с азота на поток продувки из процесса последующей обработки.

[0034] Для облегчения быстрой регенерации и сведения к минимуму количества сухого азота, используемого во время режима внешнего запуска, рабочие условия можно регулировать для управления удалением загрязнителей из адсорбционного слоя. Например, скорость потока газообразного сырья может быть отрегулирована в диапазоне скоростей потока ниже диапазонов скоростей в режиме нормальной работы (например, скорость потока при неполной загрузке). Например, скорости потока в режиме запуска могут находиться на уровне примерно 25% скорости потока в режиме нормальной работы, примерно 50% скорости потока в режиме нормальной работы, примерно 75% скорости потока в режиме нормальной работы, в диапазоне от 25% до 90% скорости потока в режиме нормальной работы, в диапазоне от 50% до 90% скорости потока в режиме нормальной работы, и в диапазоне от 75% до 90% скорости потока в режиме нормальной работы. Кроме того, регенерация адсорбционного слоя может проводиться в диапазоне давлений близких к атмосферному давлению (например, в диапазоне давлений от атмосферного давления до давления на 50 фунт/кв. дюйм (0,34 МПа) выше атмосферного давления) или может проводиться в диапазоне давлений близких к давлению режима нормальной работы (например, в диапазоне давления от 75% до 125% от величины давления в режиме нормальной работы или при давлении между атмосферным давлением и нормальным рабочим давлением или давлением, близким к давлению подачи). Например, регенерация адсорбционного слоя может осуществляться при давлении в диапазоне 300-650 фунт/кв. дюйм изб. (2,1-4,5 МПа). Кроме того, температура потока внешней среды может находиться в температурном диапазоне (например, в температурном диапазоне, начиная от температуры на 20°C выше атмосферной температуры, и до температуры, превышающей атмосферную на 150°C). Кроме того, температура внешнего потока может находиться в диапазоне от 350°F до 550°F (177-288 °С), в диапазоне от 350°F до 550°F (177-288 °С) или в диапазоне от 450°F до 550°F (232-288 °С), в диапазоне от 100°F до 550°F (38-288 °С), в диапазоне от 150°F до 450°F (66-232 °С) или в диапазоне от 250°F до 350°F (121-177 °С).

[0035] В применениях для обезвоживания последовательность цикла для режима запуска может быть выполнена таким образом, чтобы уменьшить сжигание газа на факеле или полностью исключить сжигание газа на факеле. Внешняя последовательность может быть инициирована при неполной загрузке. Давление продувки выбирают таким образом, чтобы продукт продувки находился под давлением всасывания компрессора остаточного газа. Затем компрессор остаточного газа приводится в действие для сжатия продукта продувки и его повторного объединения с сырьевым потоком до или после установки осушки на основе триэтиленгликоля (TEG). Каплеотбойники могут быть необходимы для удаления избытка воды, собранной на стадии продувки.

[0036] В качестве конкретного примера, процесс режима запуска может использоваться для установки криогенного выделения ГКЖ. Процесс внешнего запуска может включать пропускание влажного газа в поглощающие устройства при неполной загрузке. К тому же, процесс внешнего запуска используется для очистки адсорбционных слоев. Процесс продолжается до тех пор, пока поток продукта не будет соответствовать требованию и пока не будет достигнут желаемый профиль воды в адсорбционном слое. Далее, скорость газового потока, поступающего в адсорбционные слои, увеличивается для последующих циклов. Затем по меньшей мере часть потока сухого продукта вводится в установку криогенного выделения ГКЖ. При необходимости, температуру на входе продувки можно регулировать для достижения продувки, необходимой для удаления воды в адсорбционных слоях. С помощью потока продукта из адсорбционных слоев инициируется последовательность запуска для установки криогенного выделения ГКЖ. Эта установка криогенного выделения ГКЖ может осуществлять режим запуска с использованием компрессора остаточного газа для рециркуляции головного продукта колонны деметанизации с помощью внешнего потока. Как только установка выделения ГКЖ приближается к требованиям спецификации, часть головного продукта деметанизатора смешивается с потоком продувки из адсорбционных слоев в процессе короткоцикловой адсорбции с увеличением скорости потока. Тепло от пускового нагревателя может быть уменьшено по мере необходимости. В конечном счете, поток головного продукта из деметанизатора вводится в адсорбционные слои в виде потока продувки для соответствующих циклов, и часть внешнего потока из адсорбционного слоя, используемого в качестве потока продувки, сокращается и может быть исключена. Процесс переходит в конечном счете в режим нормальной работы, который является стационарным состоянием, при этом газообразный продукт продувки адсорбционных слоев предоставляется на продажу.

[0037] Аналогичным образом, указанная выше последовательность может использоваться для процесса получения СПГ. Однако, источник газа для сжатия продукта продувки до давления подачи может отсутствовать в процессе получения СПГ во время режима запуска. В связи с этим, часть потока продувки, возможно, придется сжигать на факеле. Для процессов удаления СО₂ может использоваться аналогичная последовательность режима внешнего запуска. В дополнение к этому, для подачи необходимого тепла в адсорбционные слои может использоваться стадия нагревания с нагревательным контуром.

[0038] Один или более вариантов описанной выше процедуры могут использоваться для уменьшения времени запуска процесса. Первый вариант включает нагревание адсорбционных слоев для уменьшения количества воды в адсорбционных слоях, что может быть осуществлено первоначально. На стадии нагревания нагретый поток при низком давлении используется в качестве потока продувки для адсорбционных слоев и удаляет большое количество воды, уже адсорбированной в адсорбционных слоях. Второй вариант включает выполнение одной или более стадий сброса давления в процессе режима запуска с сжиганием на факеле или быстрым уменьшением парциального давления и снижением количества воды, адсорбированной в адсорбционных слоях. Третий вариант предусматривает проведение стадии продувки сухим азотом, который может быть нагрет, если это необходимо, для высушивания адсорбционных слоев.

[0039] Способы настоящего изобретения предлагают процесс режима запуска, который может быть использован для инициирования режима нормальной работы для процесса короткоцикловой адсорбции, и, в частности, процесса адсорбции с частыми циклами. Способы настоящего изобретения могут включать некоторое дополнительное оборудование, такое как один или более трубопроводов и/или один или более коллекторов, которые обеспечивают линию тока для внешнего газового потока, резервуар для хранения внешнего газа, нагревательное устройство (печь и/или теплообменник), один или более нагнетателей и/или один или более компрессоров, находящихся в сообщении по текучей среде с одним или более адсорбционными слоями, и/или декомпрессионное оборудование, которое может использоваться для облегчения цикла режима запуска. В дополнение к этому, другие компоненты и конфигурации могут использоваться для обеспечения процесса короткоцикловой адсорбции, такие как аппаратные компоненты, обеспечивающие частые циклы (например, конструкции с параллельным расположением адсорбционных слоев, быстродействующие приводные клапаны, конфигурации адсорбционного слоя, которые интегрированы с другими процессами). Приводимые в качестве примера процессы и конфигурации короткоцикловой адсорбции также могут быть включены в патентные заявки США №№ 62/213262, 62/213267, 62/213270, 62/213273, 62/246916, 62/246920 и 62/246922, каждая из которых включена в настоящий документ посредством ссылки.

[0040] В одном или более вариантах осуществления, процесс режима запуска для процесса короткоцикловой адсорбции может включать использование режима внешнего запуска. Для режима внешнего запуска способы настоящего изобретения включают способ удаления загрязнителей из газообразного сырьевого потока с помощью процесса короткоцикловой адсорбции, который может использоваться с одним или более процессов последующей обработки. Способ включает: а) осуществление стадии регенерации (например, стадии продувки), при этом стадия включает пропускание внешнего газового потока через устройство с адсорбционным слоем для удаления загрязнителей из адсорбционного слоя внутри корпуса устройства с адсорбционным слоем, с образованием потока продукта продувки; b) осуществление одной или более стадий адсорбции, при этом каждая из одной или более стадий адсорбции включает пропускание газообразного сырьевого потока через устройство с адсорбционным слоем, имеющее адсорбционный слой для отделения загрязнителей от газообразного сырьевого потока, с образованием потока продукта; c) определение того, соответствует ли поток продукта требованию для по меньшей мере одного загрязнителя; d) если поток продукта соответствует требованию (например, находится ниже определенного порогового значения), - направление потока продукта в процесс последующей обработки; и е) если поток продукта не соответствует требованию (например, находится выше определенного порогового значения), - повторение стадий а) - d) в течение по меньшей мере одного дополнительного цикла.

[0041] В качестве другого примера для режима внешнего запуска, система короткоцикловой адсорбции может включать множество коллекторов; множество устройств с адсорбционным слоем, соединенных с множеством коллекторов, и перепускной клапан внешнего газа, находящийся в сообщении по текучей среде с коллектором продувки и выполненный с возможностью обеспечения канала потока для внешнего газового потока из емкости для хранения внешнего газа в коллектор продувки в положении режима запуска, и выполненный с возможностью блокирования канала потока внешнего газового потока из емкости для хранения внешнего газа в коллектор продувки в положении режима нормальной работы. Множество коллекторов включает коллектор сырья, выполненный с возможностью прохождения сырьевого потока ко множеству устройств с адсорбционным слоем во время стадии адсорбции, коллектор продукта, выполненный с возможностью прохождения потока продукта из множества устройств с адсорбционным слоем во время стадии адсорбции, коллектор продувки, выполненный с возможностью прохождения потока продувки ко множеству устройств с адсорбционным слоем во время стадии регенерации, коллектор продукта продувки, выполненный с возможностью прохождения потока продукта продувки из множества устройств с адсорбционным слоем во время стадии регенерации. Каждый коллектор из множества коллекторов связан с одной стадией процесса короткоцикловой адсорбции из множества стадий процесса короткоцикловой адсорбции. Каждое из устройств с адсорбционным слоем содержит корпус; адсорбирующий материал, расположенный внутри корпуса; множество клапанов, при этом по меньшей мере один из множества клапанов связан с одним из множества коллекторов и выполнен с возможностью регулирования потока текучей среды вдоль пути потока, проходящего между соответствующим коллектором и адсорбирующим материалом.

[0042] Кроме того, система или способ могут включать в себя определенные элементы для улучшения работы системы или способа. Например, множество клапанов может содержать один или более тарельчатых клапанов; множество коллекторов и/или множество устройств с адсорбционным слоем может быть выполнено с возможностью работы при давлениях в диапазоне от 0,1 бар абс. до 100 бар абс. (0,01-10 МПа абс.); система может включать в себя нагревательное устройство, расположенное выше по потоку от коллектора продувки и ниже по потоку от емкости для хранения внешнего газа, при этом нагревательное устройство выполнено с возможностью нагревания внешнего газового потока до температуры в диапазоне между температурой от 450°F (232°С) до температуры газообразного сырьевого потока, или в диапазоне между температурой от 450°F (232°С) до температуры, превышающей температуру газообразного сырьевого потока на 100°F (56°С); система может включать в себя установку кондиционирования, расположенную ниже по потоку от коллектора продукта продувки и выше по потоку от емкости для хранения внешнего газа, при этом установка кондиционирования выполнена с возможностью удаления одного или более загрязнителей из потока продукта продувки; множество коллекторов может также содержать коллектор сброса давления, выполненный с возможностью прохождения потока сброса давления из множества устройств с адсорбционным слоем во время стадии сброса давления; и система может включать в себя установку сжиженного природного газа, находящуюся в сообщении по текучей среде с устройством с адсорбционным слоем и выполненную с возможностью приема потока продукта и разделения потока продукта на поток конечного продукта и топливный поток мгновенного испарения, при этом топливный поток мгновенного испарения направляется в коллектор продувки. Кроме того, внешний газовый поток содержит поток азота, содержащий преимущественно азот с менее чем 0,1 ч./млн воды, или может содержать поток азота, содержащий преимущественно азот с менее чем 10 ч./млн воды. Внешний газовый поток может быть азотсодержащим потоком, имеющим более 1 об.% азота в расчете на общий объем сырьевого потока. Кроме того, способ может включать смешивание отводимого потока из процесса последующей обработки с внешним газовым потоком перед осуществлением стадии продувки и/или регулирование количества внешнего газового потока, используемого при осуществлении стадии продувки, на основе количества отводимого потока из процесса последующей обработки. Отводимый поток может представлять собой головной поток, такой как головной поток из установки ГКЖ или топливо из установки СПГ.

[0043] В некоторых других вариантах осуществления режим запуска для процесса короткоцикловой адсорбции может быть интегрирован с процессами и оборудованием для последующей обработки. Процессы и оборудование для последующей обработки могут включать применения зоны контролируемого замораживания (CFZ), установку удаления азота (NRU), применения для криогенного выделения ГКЖ, применения для получения СПГ и другие подобные применения. Каждое из этих различных применений может включать различные спецификационные требования для сырьевого потока в соответствующем процессе. Например, процесс запуска может включать обезвоживание перед процессом криогенного выделения ГКЖ или процессом получения СПГ и может быть интегрирован с соответствующим оборудованием для последующей обработки. В качестве другого примера, процесс запуска может включать удаление CO₂ перед процессом криогенного выделения ГКЖ или процессом получения СПГ и может быть интегрирован с соответствующим оборудованием для последующей обработки. Способ запуска может включать использование внешней среды, которая может представлять собой поток сухого азота, как часть процесса. Кроме того, режим запуска может быть интегрирован с процессами последующей обработки, такими как процессы криогенного выделения ГКЖ и/или процессы получения СПГ. В дополнение к этому, процесс режима запуска может включать в себя осуществление цикла режима запуска с минимальным сжиганием на факеле или без сжигания на факеле.

[0044] В некоторых вариантах осуществления система использует комбинированный процесс короткоцикловой адсорбции, который объединяет TSA и PSA, для очистки природного газа трубопроводного качества с удалением загрязнителей, чтобы поток соответствовал спецификационным требованиям для СПГ. Процесс короткоцикловой адсорбции, который может быть процессом с частыми циклами, используется для очистки природного газа трубопроводного качества (например, сырьевого потока, состоящего преимущественно из углеводородов, наряду с не более чем примерно 2 об.% CO₂ и/или не более 4 ч./млн H₂S) для образования потока, удовлетворяющего спецификационным требованиям на СПГ (например, с менее чем 50 ч./млн CO₂ и менее чем примерно 4 ч./млн H₂S). Поток продукта, который может быть сырьевым потоком СПГ, может иметь более 98 об.% углеводородов, в расчете на общий объем потока продукта, в то время как содержание CO₂ и воды находятся ниже определенных пороговых значений. Спецификации для СПГ и спецификации для криогенной ГКЖ могут включать содержание СО₂ не более 50 ч./млн, в то время как содержание воды в потоке может составлять менее 0,1 ч./млн. Кроме того, газообразный сырьевой поток может включать углеводороды и H₂O. Например, газообразный сырьевой поток может иметь содержание H₂О в диапазоне от 0,2 об.ч./млн до уровней насыщения в газообразном сырьевом потоке, или же содержание H₂O находится в диапазоне от 100 об.ч./млн до 1500 об.ч./млн.

[0045] В некоторых аспектах, как описано ниже, способы настоящего изобретения могут включать использование высокотемпературного потока, который подается в адсорбционные слои как часть стадии продувки, для нагревания адсорбционного слоя. Поток, который может называться потоком продувки (например, внешним потоком), может быть нагрет до температуры, которая может быть меньше 550°F (288°С), может быть меньше 500°F (260°С), меньше 450°F (232°С) или может быть меньше 350°F (177°С), и может иметь температуру на 50°F (28°С) выше температуры газообразного сырьевого потока, на 100°F (56°С) выше температуры газообразного сырьевого потока или на 250°F (139°С) выше температуры газообразного сырьевого потока. Например, поток, используемый во время стадии продувки цикла режима запуска, может иметь температуру в диапазоне от 500°F (260°С) и до температуры, превышающей температуру газообразного сырьевого потока на 50°F (28°С), в диапазоне от 450°F (232°С) до температуры газообразного сырьевого потока, в диапазоне между температурой от 450°F (232°С) до температуры, превышающей температуру газообразного сырьевого потока на 100°F (56°С),или от 400°F (204°С) до температуры, превышающей на 200°F (111°С) температуру газообразного сырьевого потока. Давление потока (потока продувки или внешнего потока) может находиться в диапазоне от 0,01 бар абс. до 100 бар абс. (0,001-10 МПа абс.), от 1 бар абс. до 80 бар абс. (0,1-8 МПа абс.), или от 2 бар абс. до 50 бар абс. (0,2-5 МПа абс.).

[0046] Кроме того, способы настоящего изобретения могут не удалять весь загрязнитель (например, H₂O и CO₂), адсорбированный в слое, во время стадии продувки процесса режима запуска, но удалять часть загрязнителей, благодаря чему продуктовый конец адсорбционного слоя имеет достаточно низкую концентрацию загрязнителя, позволяющую обеспечить поток продукта с характеристиками ниже предопределенных спецификациями. Соответственно, продуктовый конец адсорбционного слоя может поддерживаться практически не содержащим загрязнителей (например, концентрация СО₂ для области вблизи продуктового конца составляет менее 1 ммоль на грамм (ммоль/г), менее 0,5 ммоль/г или менее 0,1 ммоль/г). Уровень концентрации загрязнителя может быть ниже на стороне подачи адсорбционного слоя во время стадии продувки, но длина адсорбционного слоя, который содержит загрязнители, уменьшается во время стадии продувки. Например, область подачи может быть определенной частью адсорбционного слоя, от сырьевого конца адсорбционного слоя до 10% от длины слоя, от сырьевого конца адсорбционного слоя до 25% от длины слоя или от сырьевого конца адсорбционного слоя до 40% от длины слоя. Область продукта может быть определенной частью адсорбционного слоя, от продуктового конца адсорбционного слоя до 10% от длины слоя, от продуктового конца адсорбционного слоя до 25% от длины слоя или от продуктового конца адсорбционного слоя до 40% от длины слоя. Перемещение фронта загрязнителей назад во время стадии продувки и вперед во время стадии адсорбции лежит в основе перепада емкости поглощения процесса. Частично это достигается за счет использования ограниченного, экономически эффективного количества продувочного газа в потоке продувки наряду с нагреванием адсорбционного слоя в данном процессе и конфигурации.

[0047] Способы настоящего изобретения могут включать использование двух или более адсорбционных слоев, которые работают по аналогичному циклу, которые осуществляют разные стадии циклов (например, не синхронизированные друг с другом) для поддержания стационарного потока текучих сред для различных потоков (например, потока сырья, потока продукта, нагревающего потока и потока продувки).

[0048] Кроме того, в других вариантах осуществления давление различных потоков может варьировать. Например, сырьевой поток может включать давление подачи, которое находится в диапазоне от 0,01 бар абс. до 100 бар абс. (0,001-10 МПа абс.), от 1 бар абс. до 80 бар абс. (0,1-8 МПа абс.) или от 2 бар абс. до 50 бар абс. (0,2-5 МПа абс.), но не обязательно ограничивается этим диапазоном. Температура сырья может находиться в диапазоне от 0°F (-17,8°С) до 200°F (93,3°С), в диапазоне от 20°F (-6,7°С) до 175°F (79,4°С) или в диапазоне от 40°F (4,4°С) до 150°F (65,6°С). Давление сброса, давление нагревания и давление продувки может корректироваться в зависимости от цикла, может зависеть от используемого адсорбирующего материала и/или может находиться в диапазоне от вакуума до давления подачи. Например, если адсорбирующим материалом является цеолит 4A, давление сброса может находиться в диапазоне от 0,01 бар абс. до 50 бар абс. (0,001-5 МПа абс.), или более предпочтительно в диапазоне от 1 бар абс. до 15 бар абс. (0,1-1,5 МПа aбс.). Данный пример может зависеть от концентрации в сырье такого загрязнителя, как СО₂. Кроме того, в других вариантах осуществления стадии декомпрессии могут быть отрегулированы таким образом, что на стадиях достигается перепад давления для изменения количества метана, десорбируемого во время каждой стадии, если он имеется. Кроме того, может быть введен нагревательный контур и давление нагревания в нагревательном контуре может отличаться от давления продувки или давления сброса на соответствующих стадиях. Кроме того, некоторые варианты осуществления могут не включать перепада давления, но могут полагаться на перепад температуры на стадии регенерации. Аналогичным образом, в других вариантах осуществления может не осуществляться перепад температуры, и стадия регенерации может быть осуществлена за счет перепада давления.

[0049] Кроме того, указанный выше процесс может использоваться для процессов режима запуска, в которых два или более загрязнителей отделяются от сырьевого потока (например, два процесса короткоцикловой адсорбции, которые осуществляются последовательно друг за другом). Например, сырьевой поток может быть направлен в обезвоживающий процесс короткоцикловой адсорбции, затем в процесс короткоцикловой адсорбции для удаления CO₂, и полученный продукт может быть направлен в процесс последующей обработки, такой как криогенное выделение ГКЖ или получение СПГ. Режим запуска для процессов обезвоживания и удаления CO₂ может включать в себя процессы внешнего запуска. В качестве одного примера, процесс обезвоживания может включать в себя процесс внешнего запуска. Затем, как только поток продукта будет соответствовать требуемой спецификации для удаления воды, поток продукта может использоваться для удаления CO₂ как часть внешнего потока запуска. В качестве альтернативы, процесс обезвоживания может включать в себя процесс внешнего запуска, и процесс удаления CO₂ может осуществлять другой процесс режима внешнего запуска и может смешивать поток продувки с сырьевым потоком для процесса обезвоживания.

[0050] В некоторых конфигурациях интегрированная адсорбционная система с частыми циклами может использоваться для удаления нескольких загрязнителей (например, воды и CO₂). Подходящий адсорбирующий материал или адсорбционные слои могут использоваться для создания обезвоживания, они могут быть такими же или могут отличаться от адсорбирующего материала, используемого для удаления других загрязнителей, таких как CO₂.

[0051] Кроме того, способы настоящего изобретения могут включать в себя специфическую последовательность операций во время режима нормальной работы для удаления загрязнителей, таких как CO₂ и/или вода. Например, способ может включать стадию адсорбции и стадию регенерации, которые образуют цикл. Стадия адсорбции может включать пропускание газообразного сырьевого потока при давлении подачи и температуре подачи через устройство с адсорбционным слоем для отделения одного или более загрязнителей от газообразного сырьевого потока с образованием потока продукта. Сырьевой поток может пропускаться через адсорбционный слой в прямом направлении (например, из сырьевого конца адсорбционного слоя в продуктовый конец адсорбционного слоя). Затем, течение газообразного сырьевого потока может прерываться для стадии регенерации. Стадия регенерации может включать в себя одну или более стадий декомпрессии, одну или более стадий нагревания и/или одну или более стадий продувки. Стадии декомпрессии, которые могут представлять собой или включать в себя стадию сброса давления, могут включать снижение давления устройства с адсорбционным слоем на заранее определенную величину для каждой последующей стадии декомпрессии, которая может быть одноступенчатой и/или многоступенчатой. Стадия декомпрессии может осуществляться в прямоточном направлении или может предпочтительно быть предусмотрена в противоточном направлении (например, от продуктового конца адсорбционного слоя к сырьевому концу адсорбционного слоя). Стадия нагревания может включать в себя пропускание в устройство с адсорбционным слоем нагревающего потока, который может быть рециркуляционным потоком через нагревательный контур и использоваться для нагревания адсорбирующего материала. Стадия продувки может включать пропускание потока продувки в устройство с адсорбционным слоем, при этом она может быть однопроходной стадией продувки, и поток продувки может подаваться в противотоке относительно сырьевого потока. Поток продувки может подаваться при температуре продувки и давлении продувки, которые могут включать температуру продувки и давление продувки, подобные температуре нагревания и давлению нагревания, используемым на стадии нагревания. Затем цикл может повторяться для дополнительных потоков. Кроме того, способ может включать одну или более стадий повторного повышения давления после стадии продувки и перед стадией адсорбции. Может осуществляться одна или более стадий повторного повышения давления, при этом давление внутри устройства с адсорбционным слоем повышается с каждой стадией повторного повышения давления на заранее определенную величину для каждой последующей стадии повторного повышения давления. Продолжительность цикла для режима нормальной работы может быть периодом времени более 1 с и менее 600 с, периодом времени более 2 с и менее 300 с, периодом времени более 2 с и менее 180 с, периодом времени более 5 с и менее 150 с или периодом времени более 5 с и менее 90 с.

[0052] В других конфигурациях режим запуска может включать более низкие скорости потока и более длительные циклы. Например, скорость потока может составлять 25% от нормальной скорости потока, используемой во время нормальной работы, при этом продолжительность цикла режима запуска может в четыре раза превышать продолжительность цикла режима нормальной работы. Эта начальная скорость потока может увеличиваться непрерывным образом или с различными приращениями до достижения нормального режима работы. В качестве примера, продолжительность цикла режима запуска может быть периодом времени более 1 с и менее 2400 с, периодом времени более 1 с и менее 1500 с, периодом времени более 1 с и менее 600 с, периодом времени более 2 с и менее 800 с, периодом времени более 2 с и менее 400 с, периодом времени более 5 с и менее 150 с или периодом времени более 5 с и менее 90 с.

[0053] В других конфигурациях режим запуска может включать установку адсорбционных слоев, которые частично или полностью лишены удаляемого загрязнителя. В качестве примера, если процесс короткоцикловой адсорбции, главным образом, предназначен для удаления воды, - тогда в системе должен быть установлен частично или полностью обезвоженный адсорбционный слой. Во время режима запуска сырьевой поток, который может быть в виде влажного газа, направляется в адсорбционный слой, и поток продукта, который может быть сухим потоком, отводится и может использоваться в качестве потока продувки в другой адсорбционный слой. В качестве альтернативы, другой способ может включать установку адсорбционного слоя в процесс короткоцикловой адсорбции, который обрабатывают или кондиционируют таким образом, что загрязнитель замещает другую молекулу, которая уже адсорбирована на адсорбционном слое. В качестве примера, если процесс короткоцикловой адсорбции, главным образом, предназначен для удаления CO₂, - тогда адсорбционный слой, который может быть установлен в системе, может включать адсорбированные частицы, например, воды. Во время режима запуска, сырьевой поток, который может включать загрязнители CO₂, направляется в адсорбционный слой, и поток продукта может отводиться и может использоваться в качестве потока продувки в другой адсорбционный слой.

[0054] В некоторых конфигурациях описан способ удаления загрязнителей из газообразного сырьевого потока с помощью процесса короткоцикловой адсорбции. Способ включает: а) осуществление стадии продувки, при этом стадия продувки включает пропускание внешнего газового потока через устройство с адсорбционным слоем для удаления одного или более загрязнителей из адсорбционного слоя внутри корпуса устройства с адсорбционным слоем, с образованием потока продукта продувки; b) осуществление одной или более стадий адсорбции, при этом каждая из одной или более стадий адсорбции включает пропускание газообразного сырьевого потока через устройство с адсорбционным слоем, имеющее адсорбционный слой для отделения одного или более загрязнителей от газообразного сырьевого потока, с образованием потока продукта; c) определение того, соответствует ли поток продукта требованию по загрязнителю; d) если поток продукта соответствует требованию, - направление потока продукта в процесс последующей обработки; и е) если поток продукта не соответствует требованию, - повторение стадий а) - d) в течение по меньшей мере одного дополнительного цикла.

[0055] Способ может включать различные изменения конфигурации для улучшения работы. Например, способ может дополнительно включать смешивание отводимого потока из процесса последующей обработки с внешним газовым потоком перед осуществлением стадии продувки; регулирование количества внешнего газового потока, используемого при осуществлении стадии продувки, на основе количества отводимого потока из процесса последующей обработки; нагревание внешнего газового потока перед пропусканием внешнего газового потока через устройство с адсорбционным слоем; при этом внешний газовый поток нагревается до температуры в диапазоне от 500°F (260°С) и до температуры, превышающей температуру газообразного сырьевого потока на 50°F (28°С), или до температуры в диапазоне от 450°F (232°С) до температуры газообразного сырьевого потока; нагревание потока продукта продувки, при этом поток продукта продувки нагревается до температуры, которая на 10°F (6°С) выше точки росы потока продукта продувки; отделение одного или более загрязнителей от потока продукта продувки с образованием кондиционированного потока продукта продувки и смешивание кондиционированного потока продукта продувки с потоком из источника внешнего газа с образованием внешнего газового потока; при этом поток продувки пропускается в противоточном направлении относительно направления сырьевого потока, и при этом в конце стадии продувки существует перепад температур в диапазоне от 100°F (38°С) до 400°F (204°С), при этом перепад температур представляет собой разность температур между сырьевым концом адсорбционного слоя и продуктовым концом адсорбционного слоя; при этом продолжительность цикла составляет период времени более 1 с и менее 2400 с или более 2 с и менее 800 с; при этом газообразный сырьевой поток представляет собой углеводородсодержащий поток, имеющий более 1 об.% углеводородов в расчете на общий объем сырьевого потока; при этом газообразный сырьевой поток содержит углеводороды и CO₂, при этом содержание CO₂ находится в диапазоне от 200 об.ч./млн и до не более чем примерно 2 об.% газообразного сырьевого потока; при этом устройство с адсорбционным слоем выполнено с возможностью понижения содержания углекислого газа (CO₂) до уровня менее чем 50 ч./млн; при этом газообразный сырьевой поток содержит углеводороды и H₂О, при этом содержание H₂О находится в диапазоне от 0,2 об.ч./млн до уровней насыщения в газообразном сырьевом потоке; при этом газообразный сырьевой поток содержит углеводороды и H₂O, при этом содержание H₂O находится в диапазоне от 100 об.ч./млн до 1500 об.ч./млн; направление потока продукта из устройства с адсорбционным слоем в устройство получения сжиженного природного газа (СПГ) и отделение топливного потока мгновенного испарения из установки СПГ для использования в качестве по меньшей мере части потока продувки; направление потока продукта из устройства с адсорбционным слоем в установку криогенного выделения газоконденсатной жидкости (ГКЖ) и отделение головного потока из установки ГКЖ для использования в качестве по меньшей мере части потока продувки; при этом внешний газовый поток представляет собой азотсодержащий поток, имеющий более 1 об.% азота в расчете на общий объем сырьевого потока; при этом внешний газовый поток содержит преимущественно поток азота, содержащий менее 0,1 ч./млн воды или менее 10 ч./млн воды; и/или при этом внешний газовый поток содержит по меньшей мере один газ из азота, метана, гелия, водорода или любое их сочетание.

[0056] В еще одних конфигурациях описана система короткоцикловой адсорбции. Система может включать в себя: множество коллекторов, при этом множество коллекторов содержит коллектор сырья, выполненный с возможностью прохождения сырьевого потока ко множеству устройств с адсорбционным слоем во время стадии адсорбции, коллектор продукта, выполненный с возможностью прохождения потока продукта из множества устройств с адсорбционным слоем во время стадии адсорбции, коллектор продувки, выполненный с возможностью прохождения потока продувки ко множеству устройств с адсорбционным слоем во время стадии регенерации, коллектор продукта продувки, выполненный с возможностью прохождения потока продукта продувки из множества устройств с адсорбционным слоем во время стадии регенерации, при этом каждый коллектор из множества коллекторов связан с одной стадией процесса короткоцикловой адсорбции из множества стадий процесса короткоцикловой адсорбции; множество устройств с адсорбционным слоем, соединенных со множеством коллекторов, при этом каждое из устройств с адсорбционным слоем содержит: корпус; адсорбирующий материал, расположенный внутри корпуса; множество клапанов, при этом по меньшей мере один из множества клапанов связан с одним из множества коллекторов и выполнен с возможностью регулирования потока текучей среды вдоль пути потока, проходящего между соответствующим коллектором и адсорбирующим материалом; перепускной клапан внешнего газа, находящийся в сообщении по текучей среде с коллектором продувки и выполненный с возможностью обеспечения канала потока для внешнего газового потока из емкости для хранения внешнего газа в коллектор продувки в положении режима запуска, и выполненный с возможностью блокирования канала потока внешнего газового потока из емкости для хранения внешнего газа в коллектор продувки в положении режима нормальной работы.

[0057] Система может включать различные изменения конфигурации для улучшения работы. Например, система короткоцикловой адсорбции может включать в себя множество клапанов, содержащее один или более тарельчатых клапанов; может включать в себя множество устройств с адсорбционным слоем, выполненных с возможностью работы при давлениях в диапазоне от 0,1 бар абс. до 100 бар абс. (0,01-10 МПа абс.); может также включать в себя нагревательное устройство, расположенное выше по потоку от коллектора продувки и ниже по потоку от емкости для хранения внешнего газа, при этом нагревательное устройство выполнено с возможностью нагревания внешнего газового потока до температуры в диапазоне от 450°F (232°С) до температуры газообразного сырьевого потока; может также включать в себя установку кондиционирования, расположенную ниже по потоку от коллектора продукта продувки и выше по потоку от емкости для хранения внешнего газа, при этом установка кондиционирования выполнена с возможностью удаления одного или более загрязнителей из потока продукта продувки; может включать в себя множество коллекторов, дополнительно содержащее коллектор сброса давления, выполненный с возможностью прохождения потока сброса давления из множества устройств с адсорбционным слоем во время стадии сброса давления; может также включать в себя установку сжиженного природного газа, находящуюся в сообщении по текучей среде с устройством с адсорбционным слоем и выполненную с возможностью приема потока продукта и разделения потока продукта на поток конечного продукта и топливный поток мгновенного испарения, при этом топливный поток мгновенного испарения направляется в коллектор продувки; может также включать в себя установку криогенного выделения газоконденсатной жидкости (ГКЖ), находящуюся в сообщении по текучей среде с устройством с адсорбционным слоем и выполненную с возможностью приема потока продукта и разделения потока продукта на поток конечного продукта и остаточный газовый поток, при этом остаточный газовый поток направляется в коллектор продувки; и/или может также включать в себя нагревательную рубашку, расположенную рядом с устройством с адсорбционным слоем и выполненную с возможностью нагревания адсорбционного слоя.

[0058] В одном или более вариантов осуществления способы настоящего изобретения могут использоваться для любого типа процесса короткоцикловой адсорбции. Не имеющие ограничительного характера процессы короткоцикловой адсорбции, которые могут использоваться в способах настоящего изобретения, включают адсорбцию с перепадом давления (PSA), вакуумную адсорбцию с перепадом давления (VPSA), адсорбцию с перепадом температуры (TSA), адсорбцию с перепадом парциального давления (PPSA), адсорбцию с перепадом давления с частыми циклами (RCPSA), адсорбцию с перепадом температуры с частыми циклами (RCTSA), адсорбцию с перепадом парциального давления с частыми циклами (RCPPSA), а также сочетания этих процессов. Например, предпочтительный процесс короткоцикловой адсорбции может включать сочетание адсорбции с перепадом давления и адсорбции с перепадом температуры, которое может осуществляться в виде процесса с частыми циклами. Приводимые в качестве примера процессы короткоцикловой адсорбции дополнительно описаны в публикациях патентов США №№ 62/213262, 62/213267, 62/213270, 62/213273, 62/246916, 62/246920 и 62/246922, и в публикациях патентных заявок США №№ 2008/0282892, 2008/0282887, 2008/0282886, 2008/0282885, 2008/0282884 и 2014/0013955, каждая из которых в полном объеме включена в настоящий документ посредством ссылки.

[0059] Кроме того, в одном или более вариантов осуществления для обеспечения механизма разделения может использоваться множество адсорбирующих материалов. Примеры включают цеолиты 3A, 4A, 5A, ZK4 и MOF-74. Однако способ не ограничен этими адсорбирующими материалами, также могут использоваться и другие. Способы настоящего изобретения могут быть лучше поняты со ссылкой на фиг.1-9.

[0060] На фиг.1 представлен трехмерная схема системы 100 короткоцикловой адсорбции, имеющей шесть устройств с адсорбционным слоем и соединительные трубопроводы. В то время как данная конфигурация представляет собой конкретный пример, способы настоящего изобретения в целом относятся к устройствам с адсорбционным слоем, которые могут быть развернуты в симметричной ориентации или в несимметричной ориентации и/или в комбинации из множества аппаратных платформ. Кроме того, данная конкретная конфигурация предназначена для иллюстративных целей, поскольку другие конфигурации могут включать различное число устройств с адсорбционным слоем.

[0061] В данной системе устройства с адсорбционным слоем, такие как устройство 102 с адсорбционным слоем, могут быть выполнены с возможностью осуществления процесса короткоцикловой адсорбции для удаления загрязнителей из сырьевых потоков (например, текучих сред, газообразных или жидких). Например, устройство 102 с адсорбционным слоем может включать в себя различные трубопроводы (например, трубопровод 104) для регулирования потока текучих сред через, в или из адсорбционного слоя в устройстве 102 с адсорбционным слоем. Эти трубопроводы из устройств 102 с адсорбционным слоем могут быть соединены с коллектором (например, коллектором 106) для распределения потока в, из или между компонентами. Адсорбционный слой в устройстве с адсорбционным слоем может отделять один или более загрязнителей от сырьевого потока с образованием потока продукта. Как может быть понятно, устройства с адсорбционным слоем могут включать в себя другие трубопроводы для регулирования других потоков текучих сред как часть процесса, таких как потоки продувки, декомпрессионные потоки, и тому подобное. В частности, устройства с адсорбционным слоем могут включать в себя оборудование режима запуска, такое как одно или более нагревательных устройств (не показано), один или более коллекторов из источника внешнего газа, (который может быть одним из коллекторов 106) и один или более детандеров, как описано ниже, которые используются как часть режима запуска для адсорбционных слоев. Кроме того, устройство с адсорбционным слоем может также включать в себя одну или большее число уравнительных емкостей, таких как уравнительная емкость 108, которые предназначены для устройства с адсорбционным слоем и могут быть предназначены для одной или более стадий в процессе короткоцикловой адсорбции. Уравнительная емкость 108 может использоваться для хранения внешнего потока, такого как азот, для использования в цикле режима запуска.

[0062] В качестве примера, который дополнительно рассмотрен ниже на фиг.2, устройство 102 с адсорбционным слоем может включать в себя корпус, который может включать головную часть и другие основные части, которые образуют по существу не проницаемое для газа отделение, адсорбционный слой, расположенный в пределах корпуса, и множество клапанов (например, тарельчатых клапанов), обеспечивающих каналы для потока текучей среды через отверстия в корпусе между внутренней областью корпуса и местоположениями, находящимися снаружи по отношению к внутренней области корпуса. Каждый из тарельчатых клапанов может включать дисковый элемент, который может быть выполнен с возможностью посадки внутри головки, или дисковый элемент, который может быть выполнен с возможностью посадки внутри отдельного клапанного седла, вставленного в головку (не показано). Конфигурация тарельчатых клапанов может быть любым распределением клапанов или любой конфигурацией типов тарельчатых клапанов. Например, устройство с адсорбционным слоем может включать в себя один или большее число тарельчатых клапанов, каждый из которых находится в сообщении по потоку с другим трубопроводом, связанным с другими потоками. Тарельчатые клапаны могут обеспечивать сообщение по текучей среде между адсорбционным слоем и одним из соответствующих трубопроводов, коллекторов или магистралей. Выражение «в прямом сообщении по потоку» или «в прямом сообщении по текучей среде» означает в прямом сообщении по потоку без промежуточных клапанов или других закрывающих средств для препятствия потоку. Как может быть понятно, в объеме настоящего изобретения также могут предполагаться и другие варианты.

[0063] Адсорбционный слой содержит твердый адсорбирующий материал, способный адсорбировать один или более компонентов из сырьевого потока. Такие твердые адсорбирующие материалы выбирают таким образом, чтобы они были стойкими к физическим и химическим условиям в устройстве 102 с адсорбционным слоем, и могут включать металлические, керамические или другие материалы, в зависимости от процесса адсорбции. Другие примеры адсорбирующих материалов описаны дополнительно ниже.

[0064] На фиг.2 представлена схема части устройства 200 с адсорбционным слоем, имеющего клапанные сборки и коллекторы в соответствии с вариантом осуществления способов настоящего изобретения. Часть устройства 200 с адсорбционным слоем, которое может являться частью устройства 102 с адсорбционным слоем фиг.1, содержит корпус или основную часть, которая может включать цилиндрическую стенку 214 и цилиндрический изоляционный слой 216, а также верхнюю головку 218 и нижнюю головку 220. Адсорбционный слой 210 расположен между верхней головкой 218 и нижней головкой 220 и изоляционным слоем 216, что приводит к верхней открытой зоне и нижней открытой зоне, причем открытые зоны включают в себя по существу открытый объем прохода потока. Такой открытый объем прохода потока в устройстве с адсорбционным слоем содержит газ, который нужно регулировать для различных стадий. Корпус может быть выполнен с возможностью поддерживать давление в диапазоне от 0 бар абс. до 150 бар абс. (0-15 МПа абс.) во внутренней области.

[0065] Верхняя головка 218 и нижняя головка 220 содержат отверстия, в которые могут быть вставлены клапанные конструкции, такие как клапанные сборки 222-240, соответственно (например, тарельчатые клапаны). Верхний или нижний открытый объем пути потока между соответствующими головками 218 или 220 и адсорбционным слоем 210 может также содержать распределительные трубопроводы (не показаны), которые непосредственно вводят текучие среды в адсорбционный слой 210. Верхняя головка 218 содержит различные отверстия (не показаны) для обеспечения каналов потока через впускные коллекторы 242 и 244 и выпускные коллекторы 248, 250 и 252, тогда как нижняя головка 220 содержит различные отверстия (не показаны) для обеспечения каналов потока через впускной коллектор 254 и выпускные коллекторы 256, 258 и 260. Клапанные сборки 222-240 находятся в сообщении по текучей среде с соответствующими коллекторами 242-260. Если клапанные сборки 222-240 являются тарельчатыми клапанами, каждая может включать дисковый элемент, соединенный со штоковым элементом, который может быть расположен внутри втулки или направляющей клапана. Штоковый элемент может быть соединен с приводным средством, таким как приводное устройство (не показано), которое выполнено с возможностью передачи линейного движения к соответствующему штоку. Как может быть понятно, приводное устройство может работать независимо для различных стадий процесса для активации одного единственного клапана, или одно приводное устройство может использоваться для регулирования двух или более клапанов. Кроме того, хотя отверстия могут быть по существу одинаковыми по размеру, отверстия и впускные клапаны для впускных коллекторов могут иметь меньший диаметр, чем для выпускных коллекторов, при условии, что объемы газа, проходящие через впускные отверстия, могут оказываться, как правило, меньше, чем объемы продукта, проходящие через выпускные отверстия.

[0066] В процессах короткоцикловой адсорбции цикл включает в себя две или более стадии, каждая из которых имеет определенный временной интервал, которые суммируются вместе, образуя время цикла или продолжительность цикла. Данные стадии включают регенерацию адсорбционного слоя после стадии адсорбции с использованием множества способов, включающих перепад давления, перепад вакуума, перепад температуры, продувку (посредством любого подходящего типа продувочной текучей среды для осуществления процесса) и их сочетания. Например, цикл PSA может включать стадии адсорбции, декомпрессии, продувки и повторного повышения давления. При выполнении разделения при высоком давлении декомпрессия и повторное повышение давления (которые могут называться выравниванием) могут осуществляться в несколько стадий, чтобы уменьшить изменение давления для каждой стадии и повысить эффективность. В некоторых процессах короткоцикловой адсорбции, таких как процессы адсорбции с частыми циклами, значительная часть общего времени цикла отводится на регенерацию адсорбционного слоя. Соответственно, любое уменьшение времени регенерации приводит к уменьшению общего времени цикла. Данное уменьшение также может уменьшать общие размеры системы короткоцикловой адсорбции.

[0067] Кроме того, в режиме запуска для процесса короткоцикловой адсорбции, один или более коллекторов и связанных клапанов могут использоваться в качестве выделенного пути потока для одного или более потоков запуска. Например, во время стадии адсорбции или подачи сырья, коллектор 242 и клапанная сборка 222 могут использоваться для направления сырьевого газового потока в адсорбционный слой 210, тогда как клапанная сборка 236 и коллектор 256 могут использоваться для отведения потока продукта из адсорбционного слоя 210. Во время стадии регенерации или продувки, коллектор 244 и клапанная сборка 224 могут использоваться для направления внешнего газового потока в адсорбционный слой 210, тогда как клапанная сборка 236 и коллектор 256 могут использоваться для отведения потока продукта продувки из адсорбционного слоя 210. Соответственно, коллектор 244 и клапанная сборка 224 могут использоваться для процессов режима запуска, но остаются неактивными во время режима нормальной работы. Как может быть понятно, поток продувки может быть выполнен с возможностью течения в противотоке с сырьевым потоком в других вариантах осуществления.

[0068] В качестве альтернативы, режим запуска для процесса короткоцикловой адсорбции может включать совместное использование одного или более коллекторов и связанных клапанов во время режима нормальной работы и во время режима запуска. Например, коллектор 242 и клапанная сборка 222 могут использоваться для подачи газообразного сырьевого потока в адсорбционный слой 210 во время режима запуска и во время нормальной работы, тогда как клапанная сборка 236 и коллектор 256 могут использоваться для отведения потока продукта из адсорбционного слоя 210 во время режима запуска и во время режима нормальной работы. Во время стадии регенерации или продувки, коллектор 254 и клапанная сборка 232 могут использоваться для направления внешнего газового потока в адсорбционный слой 210 для режима запуска и для направления потока продувки в адсорбционный слой 210 для режима нормальной работы, тогда как клапанная сборка 226 и коллектор 248 могут использоваться для отведения потока продукта продувки из адсорбционного слоя 210 во время режима запуска и режима нормальной работы. Предпочтительно, данная конфигурация может использоваться для сокращения любых дополнительных клапанов или соединений для режима запуска для конфигураций устройства с адсорбционным слоем, которые имеют пространственные ограничения на соответствующие головки.

[0069] Во время режима нормальной работы газообразный сырьевой поток может подвергаться различным процессам для формирования потока ГКЖ или потока СПГ. Например, способ может включать установку удаления ртути для удаления ртути из входящего потока; фильтр для удаления твердых частиц и капель жидкости; установку короткоцикловой адсорбции для удаления одного или более загрязнителей, таких как H₂O, CO₂ и серосодержащие соединения; установку СПГ или установку ГКЖ для обработки полученного потока в конечный продукт, который может использоваться для продажи, транспортировки или хранения. В дополнение к этому, конфигурация может включать в себя один или более нагревательный контур, компрессор, нагревательное устройство и/или емкость для хранения.

[0070] Как отмечалось выше, способы настоящего изобретения включают в себя различные процедуры, которые могут использоваться для режима запуска процесса короткоцикловой адсорбции. Режим запуска может включать режим внешнего запуска. Режим внешнего запуска может включать в себя осуществление стадии адсорбции и затем стадии регенерации для каждого из адсорбционных слоев. Стадия адсорбции может включать прохождение газообразного сырьевого потока через адсорбционный слой для адсорбции одного или более загрязнителей из газообразного сырьевого потока и отведение образующегося в результате потока продукта из устройства с адсорбционным слоем. Образующийся в результате поток продукта может быть направлен в оборудование для последующей обработки. Стадия регенерации может включать в себя пропускание внешнего потока через адсорбционный слой для удаления одного или более загрязнителей из устройства с адсорбционным слоем (например, части загрязнителей внутри устройства с адсорбционным слоем или внутри пустот адсорбционного слоя) и отведение потока продукта продувки из устройства с адсорбционным слоем. Поток продукта продувки может быть направлен на факел или может быть объединен с топливным газом.

[0071] В качестве примера, на фиг.3 представлена иллюстративная блок-схема для осуществления режима внешнего запуска процесса короткоцикловой адсорбции в соответствии с вариантом осуществления способов по настоящему изобретению. На данной блок-схеме 300 процесс режима запуска может включать использование внешнего газового потока для удаления одного или более загрязнителей из адсорбционных слоев как часть цикла режима запуска. Кроме того, процесс режима запуска может включать в себя работу двух или более устройств с адсорбционным слоем, каждое из которых может осуществлять различные стадии в цикле режима запуска. Для каждого из устройств с адсорбционным слоем процесс короткоцикловой адсорбции включает процесс режима запуска, использующий внешний поток, как показано в блоках 302-308, который для простоты описывается как осуществляемый в одиночном устройстве с адсорбционным слоем. Далее, устройства с адсорбционным слоем могут использоваться с оборудованием для последующей обработки, как показано в блоках 310-316, и начинается режим нормальной работы, как показано в блоке 318. Внешний газовый поток может включать в себя азот и/или метан, как отмечалось выше. Внешний поток может содержать преимущественно азот и/или метан с менее чем 0,1 ч./млн воды или менее чем 10 ч./млн воды. Внешний газовый поток может быть азотсодержащим потоком, имеющим более 1 об.% азота в расчете на общий объем сырьевого потока.

[0072] Способ начинается путем осуществления процесса режима запуска для устройств с адсорбционным слоем процесса короткоцикловой адсорбции, как показано в блоках 302-308. На этапе 302 стадия регенерации осуществляется для адсорбционного слоя с помощью внешнего потока. Внешний поток может включать азот или метан и может быть сухим потоком (например, содержать менее 10 ч./млн воды, менее 1 ч./млн воды или менее 0,1 ч./млн воды). Стадия регенерации, которая может быть одной или более стадиями продувки, может включать в себя пропускание внешнего потока через адсорбционный слой с образованием потока продукта продувки, который отводится из устройства с адсорбционным слоем. Поток продукта продувки может включать в себя внешний поток и часть загрязнителей внутри адсорбционного слоя. Этот поток продукта продувки может быть смешан с потоком топливного газа или может быть направлен на факел. Далее, внешний поток может быть подвергнут стадии нагревания перед направлением в адсорбционный слой. На стадии нагревания внешний поток может нагреваться до температуры менее 550°F (288°С), менее 500°F (260°С), менее 450°F (232°С) или менее 350°F (177°С), и может иметь температуру на 50°F (28°С) выше температуры газообразного сырьевого потока, на 100°F (56°С) выше температуры газообразного сырьевого потока или на 250°F (139°С) выше температуры газообразного сырьевого потока. Например, внешний поток, используемый во время стадии продувки, может иметь температуру в диапазоне от 500°F (260°С) и до температуры, превышающей температуру газообразного сырьевого потока на 50°F (28°С), в диапазоне между температурой от 450°F (232°С) и до температуры, превышающей температуру газообразного сырьевого потока на 100°F (56°С), в диапазоне от 450°F (232°С) до температуры газообразного сырьевого потока или от 400°F (204°С) до температуры, превышающей на 200°F (111°С) температуру газообразного сырьевого потока. Нагревание внешнего потока может включать пропускание потока через теплообменник или аналогичное нагревательное устройство для повышения температуры внешнего потока. На этапе 304 стадия адсорбции осуществляется для адсорбционного слоя. Стадия адсорбции может включать прохождение газообразного сырьевого потока через адсорбционный слой с удалением одного или более загрязнителей из газообразного сырьевого потока и с образованием потока продукта, который отводится из устройства с адсорбционным слоем. На этапе 306 поток продукта может быть измерен. Поток продукта может быть измерен с помощью отбора проб, использования влагоанализатора, использования газового хроматографа или использования другого оборудования для анализа компонентов газа. Затем, на этапе 308 выполняется определение того, соответствует ли поток продукта требованию. Это определение может включать в себя анализ потока продукта для определения уровня одного или более загрязнителей в потоке продукта. Если поток продукта соответствует требованию (например, содержание загрязнителей находится на уровне или ниже определенных пороговых значений), - поток продукта может быть направлен в процессы последующей обработки. Однако, если поток продукта не соответствует требованиям (например, содержание загрязнителей находится выше определенных пороговых значений), - поток продукта может быть рециркулирован для смешивания с газообразным сырьевым потоком и для использования в качестве части стадии адсорбции, как показано в блоке 304.

[0073] После того как устройства с адсорбционным слоем направили поток продукта в процесс последующей обработки, поток продукта может использоваться с оборудованием для последующей обработки, как показано в блоках 310-316. На этапе 310 может начаться режим запуска оборудования для последующей обработки. Режим запуска оборудования для последующей обработки может включать различные стадии перед направлением потока продукта в оборудование для последующей обработки, или может начаться, как только поток продукта будет передан в оборудование для последующей обработки. Процессы последующей обработки могут включать процесс CFZ, процесс криогенного выделения ГКЖ, или процесс СПГ, с сопутствующим оборудованием для каждого процесса. Кроме того, во время последовательности режима запуска оборудования для последующей обработки, устройства с адсорбционным слоем могут продолжать использовать внешний поток для стадии продувки. На этапе 312 поток продувки может быть направлен в устройства с адсорбционным слоем из процесса последующей обработки. Поток продувки может включать в себя головной поток или отводимый поток из процесса последующей обработки. В качестве примера, поток продувки из установки ГКЖ может быть головным потоком деметанизатора, или поток продувки может быть потоком топливного газа установки СПГ.Затем, на этапе 314 количество внешнего потока, используемое на стадии продувки, может быть скорректировано. Корректировка может быть основана на количестве потока продувки, подаваемого в устройства с адсорбционным слоем. Например, скорость внешнего потока может быть снижена на 10%, 50% или 90%, на основе количества потока продувки из процессов последующей обработки и желаемой скорости потока. На этапе 316 поступление внешнего потока может быть прервано. Поступление внешнего потока может быть прервано после того, как процесс последующей обработки создаст достаточное количество потока продувки в условиях, близких к стационарным рабочим условиям.

[0074] После завершения процесса режима запуска может начаться режим нормальной работы, как показано в блоке 318. На этапе 318 начинается режим нормальной работы. Режим нормальной работы может включать в себя направление газообразного сырьевого потока в устройства с адсорбционным слоем для осуществления процесса короткоцикловой адсорбции для удаления загрязнителей и направление потока продукта в процесс последующей обработки. После этого, процесс последующей обработки может направлять поток продукта через различное оборудование для последующей обработки с получением потока конечного продукта. Процесс последующей обработки также может направлять поток продувки в процесс короткоцикловой адсорбции, с возможностью использования во время стадии регенерации для удаления загрязнителей из адсорбционных слоев внутри устройств с адсорбционным слоем.

[0075] В качестве конкретного примера, сырьевой поток может представлять собой поток природного газа, который преимущественно содержит углеводороды, внешний поток может быть потоком азота, и загрязнители в адсорбционном слое могут быть водой. Во время стадии продувки для соответствующего адсорбционного слоя поток азота проходит через адсорбционный слой, и вода взаимодействует с потоком азота с образованием потока продукта продувки, который включает в себя азот и часть воды, удаленной из адсорбционного слоя.

[0076] В дополнение к этому, поток продукта из устройств с адсорбционным слоем может использоваться в процессе режима запуска для одной или более установок последующей обработки, таких как деметанизатор или линия сжижения природного газа. По мере того как процессы и установки последующей обработки запускаются, отработавшие адсорбционные слои могут быть регенерированы с использованием потока сухого азота в качестве потока продувки. Поток сухого азота может быть нагрет. В качестве альтернативы, нагретый отводимый поток со стороны продукта также может использоваться для регенерации адсорбционных слоев во время стадии продувки. Как только процессы последующей обработки начинают работать в нормальном режиме, поток продувки может быть отрегулирован так, чтобы быть полученным из остаточного газового потока, потока топливного газа или другого подходящего потока из одного из процессов последующей обработки.

[0077] В некоторых вариантах осуществления, поток продукта продувки может быть направлен в процессы для удаления загрязнителей из внешнего потока, благодаря чему очищенный поток продукта продувки может быть рециркулирован в устройства с адсорбционным слоем в качестве внешнего потока или же может быть смешан с внешним потоком. Например, если внешний поток представляет собой поток азота, и загрязнителем является вода, - поток продукта продувки может быть нагрет и затем может быть подвергнут перепаду давления для отделения воды от азота в потоке продукта продувки. Таким образом, азот может быть регенерирован и рециркулирован в адсорбционные слои для удаления дополнительной воды из адсорбционных слоев во время последующей стадии продувки.

[0078] В качестве дополнительных усовершенствований, рабочие условия могут быть скорректированы во время режима внешнего запуска для регулирования удаления загрязнителей из адсорбционных слоев. В качестве примера, скорость потока может находиться в диапазоне от 25 до 1000 тысяч стандартных кубических футов в сутки (MSCFD, тыс.ст.куб.фт./сут.) (706,3-28252,1 м³/сут) во время режима нормальной работы, тогда как скорость потока может находиться в диапазоне от 6,25 до 500 тыс.ст.куб.фт./сут. (176,6-14126,1 м³/сут) для режима запуска. Скорость потока может быть увеличена во время последующих стадий продувки до достижения скоростей потока режима нормальной работы. Кроме того, давление внешнего потока может находиться в диапазоне давлений от атмосферного давления до давления на 50 фунт/кв. дюйм (0,34 МПа) выше атмосферного давления. В дополнение к этому, температура внешнего потока может находиться в диапазоне температур от температуры на 20°C выше атмосферной температуры до температуры на 150°C выше атмосферной температуры. Кроме того, температура внешнего потока может быть менее 550°F (288°С), менее 500°F (260°С), менее 450°F (232°С) или менее 350°F (177°С), и может быть температурой газообразного сырьевого потока, на 50°F (28°С) выше температуры газообразного сырьевого потока, на 100°F (56°С) выше температуры газообразного сырьевого потока или на 250°F (139°С) выше температуры газообразного сырьевого потока. Например, внешний поток, используемый во время стадии продувки, может иметь температуру в диапазоне между 500°F (260°С) до температуры, превышающей температуру газообразного сырьевого потока на 50°F (28°С), в диапазоне между температурой от 450°F (232°С) и до температуры газообразного сырьевого потока; в диапазоне между температурой от 450°F (232°С) и до температуры, превышающей температуру газообразного сырьевого потока на 100°F (56°С), или от 400°F (204°С) до температуры, превышающей на 200°F (111°С) температуру газообразного сырьевого потока.

[0079] Чтобы поддерживать процесс режима внешнего запуска, конфигурация процесса короткоцикловой адсорбции может включать дополнительные перепускные трубопроводы и коллектор для направления внешнего потока в устройства с адсорбционным слоем во время стадии продувки. Внешний поток может подаваться из емкости внешнего источника через трубопровод внешнего источника, который находится в сообщении по текучей среде с коллектором продувки. Кроме того, данная конфигурация может включать в себя одно или более нагревательных устройств, которые находятся выше по потоку от коллектора продувки и выполнены с возможностью нагревания внешнего потока перед пропусканием через устройства с адсорбционным слоем и/или которые находятся ниже по потоку от коллектора продукта продувки и выполнены с возможностью нагревания потока продукта продувки. Нагревательное устройство может включать в себя теплообменник, печь или тому подобное. Конфигурация также может включать в себя одну или более разделительные установки, выполненные с возможностью отделения одного или более загрязнителей из потока продукта продувки. Разделительные установки могут представлять собой емкость мгновенного разделения, которая выполнена с возможностью понижения давления потока для отделения загрязнителей от остальной части потока продукта продувки, или могут быть установкой адсорбции, которая взаимодействует с загрязнителями для отделения загрязнителей от остальной части потока продукта продувки. Загрязнители могут быть отведены из процесса, тогда как остальная часть потока продукта продувки может быть направлена в одну или более установку регенерации. Установки регенерации могут использоваться для дополнительной очистки остальной части потока продукта продувки и/или сжатия остальной части потока продукта продувки с образованием внешнего потока, который направляется в адсорбционные слои.

[0080] В некоторых вариантах осуществления внешний поток может быть дополнительно кондиционирован перед подачей в последующее устройство с адсорбционным слоем во время стадии его регенерации в качестве потока продувки. На стадии нагревания внешний поток может нагреваться до температуры менее 550°F (288°С), менее 500°F (260°С), менее 450°F (232°С) или менее 350°F (177°С), и может иметь температуру на 50°F (28°С) выше температуры газообразного сырьевого потока, на 100°F (56°С) выше температуры газообразного сырьевого потока или на 250°F (139°С) выше температуры газообразного сырьевого потока. Например, внешний поток, используемый во время стадии продувки, может иметь температуру в диапазоне между 500°F (260°С) до температуры, превышающей температуру газообразного сырьевого потока на 50°F (28°С), в диапазоне между температурой от 450°F (232°С) и до температуры газообразного сырьевого потока;в диапазоне между температурой от 450°F (232°С) и до температуры, превышающей температуру газообразного сырьевого потока на 100°F (56°С), или от 400°F (204°С) до температуры, превышающей на 200°F (111°С) температуру газообразного сырьевого потока. Нагревание внешнего потока может включать пропускание потока через теплообменник или аналогичное нагревательное устройство для повышения температуры внешнего потока. Далее, внешний поток может подвергаться стадии декомпрессии перед направлением в устройство с адсорбционным слоем, осуществляющее стадию регенерации. Стадия декомпрессии, которая может осуществляться до стадии нагревания или после стадии нагревания, может снижать давление внешнего потока до давления в диапазоне от 0,1 бар абс. до 100 бар абс. (0,01-10 МПа абс.), которое ниже, чем давление внешнего потока перед стадией декомпрессии. Давление может быть снижено по меньшей мере на 10%, по меньшей мере на 20% или по меньшей мере на 30% относительно давления потока продукта, выходящего из адсорбционного слоя. Декомпрессия внешнего потока может включать направление потока через детандер или емкость мгновенного разделения для понижения давления внешнего потока.

[0081] В качестве дополнительных усовершенствований, рабочие условия могут быть скорректированы во время режима запуска для регулирования удаления загрязнителей из устройств с адсорбционным слоем. В качестве примера, скорость потока может находиться в диапазоне от 25 до 1000 тысяч стандартных кубических футов в сутки (MSCFD, тыс.ст.куб.фт./сут.) (706,3-28252,1 м³/сут) во время режима нормальной работы, тогда как скорость потока может находиться в диапазоне от 6,25 до 500 тыс.ст.куб.фт./сут. (176,6-14126,1 м³/сут) для режима запуска. Скорость потока может быть увеличена во время последующих стадий продувки до достижения скоростей потока режима нормальной работы. Кроме того, давление внешнего потока может находиться в диапазоне давлений от атмосферного давления до давления на 50 фунт/кв. дюйм (0,34 МПа) выше атмосферного давления. В дополнение к этому, температура внешнего потока может находиться в диапазоне температур от температуры на 20°C выше атмосферной температуры до температуры на 100°C выше атмосферной температуры.

[0082] Кроме того, продукт продувки может быть подвергнут стадиям кондиционирования, например, для получения углеводородов со стадии регенерации. Например, поток продукта продувки может быть охлажден или сжат для удаления загрязнителей и может быть рециркулирован, чтобы быть по меньшей мере частью сырьевого потока или быть по меньшей мере частью потока продукта. В качестве примера, мгновенное разделение может использоваться для удаления загрязнителей. В других конфигурациях, поток продукта продувки нагревается до температуры, которая на 5°F (3°С) выше точки росы потока продукта продувки; на 10°F (6°С) выше точки росы потока продукта продувки; или на 20°F (11°С) выше точки росы потока продукта продувки. Благодаря нагреванию потока продукта продувки выше точки росы, нагретый поток продукта продувки может использоваться в последующем процессе, таком как газовая турбина.

[0083] Чтобы поддерживать процесс режима запуска, конфигурация процесса короткоцикловой адсорбции может включать дополнительные перепускные трубопроводы и коллектор для направления внешнего потока или части внешнего потока в устройства с адсорбционным слоем во время стадии их регенерации. Конфигурация может также включать одно или более нагревательных устройств, которые находятся выше по потоку от коллектора продувки и выполнены с возможностью нагревания внешнего потока перед пропусканием через устройства с адсорбционным слоем и/или которые находятся ниже по потоку от коллектора продукта продувки и выполнены с возможностью нагревания потока продукта продувки. Нагревательное устройство может включать в себя теплообменник, печь или тому подобное. Конфигурация также может включать в себя одно или более устройств декомпрессии, выполненных с возможностью понижения давления внешнего потока. Устройства декомпрессии могут включать один или более детандеров и/или одну или более разделительные установки. Разделительные установки, которые могут представлять собой емкость мгновенного разделения, могут быть выполнены с возможностью отделения одного или более загрязнителей из внешнего потока. Кроме того, конфигурация может включать в себя одну или более установок регенерации, которые выполнены с возможностью очистки потока продукта продувки с удалением загрязнителей из потока продукта продувки. В качестве примера, конфигурация может включать в себя перепускной клапан внешнего газа, находящийся в сообщении по текучей среде с коллектором продувки и выполненный с возможностью обеспечения канала потока для внешнего газового потока из емкости для хранения внешнего газа в коллектор продувки в положении режима запуска, и выполненный с возможностью блокирования канала потока внешнего газового потока из емкости для хранения внешнего газа в коллектор продувки в положении режима нормальной работы.

[0084] Иллюстративные варианты осуществления стадий, которые могут осуществляться в процессе режима запуска, показаны на фиг.4 - фиг.9. На фиг.4 представлена иллюстративная диаграмма 400 стадии режима запуска в соответствии с вариантом осуществления способов по настоящему изобретению. На данной диаграмме 400 стадия нагревания адсорбционного слоя показана во время стадии адсорбции цикла режима запуска. На данной стадии нагревания сырьевой поток, который может быть потоком влажного газа или внешним потоком, может быть направлен по трубопроводу 402 в нагревательное устройство 404. Нагревательное устройство 404 может быть выполнено с возможностью нагревания сырьевого потока до температуры менее 550°F (288°С), менее 500°F (260°С), менее 450°F (232°С) или менее 350°F (177°С), и может быть температурой газообразного сырьевого потока, на 50°F (28°С) выше температуры газообразного сырьевого потока, на 100°F (56°С) выше температуры газообразного сырьевого потока или на 250°F (139°С) выше температуры газообразного сырьевого потока. Например, поток, используемый во время стадии продувки, может иметь температуру в диапазоне от 500°F (260°С) до 50°F (10°С), в диапазоне от 450°F (232°С) до 100°F (38°С) или от 400°F (204°С) до 200°F (93°С) (например, при температуре, превышающей температуру сырьевого потока). Далее нагретый поток может быть направлен в устройство 406 декомпрессии. Устройство 406 декомпрессии может быть выполнено с возможностью понижения давления нагретого потока до давления в диапазоне от 0,1 бар абс. до 100 бар абс. (0,01-10 МПа абс.), которое ниже, чем давление внутри потока перед устройством 406 декомпрессии, или которое может быть ниже по меньшей мере на 10%, по меньшей мере на 20% или по меньшей мере на 30% относительно давления потока перед устройством 406 декомпрессии. Затем, полученный в результате поток направляют из устройства 406 декомпрессии на факел или рециркулируют в процесс.

[0085] На фиг.5А и фиг.5В представлены иллюстративные диаграммы 500 и 520, связанные с другой стадией режима запуска в соответствии с вариантом осуществления способов по настоящему изобретению. На диаграмме 500 фиг.5А показана стадия сброса давления. На данной стадии сброса давления поток сброса давления, который может быть частью газа в устройстве 502 с адсорбционным слоем, может направляться по трубопроводу 504 на факел (не показано). Стадия сброса давления может использоваться для удаления больших количеств загрязнителей, таких как вода, из устройства 502 с адсорбционным слоем.

[0086] На фиг.5B показана диаграмма 520 отклика 526 давления вдоль оси 524 адсорбции в молях на килограмм (моль/кг) относительно оси 522 давления в барах. На этой диаграмме 520 отклик 526 показывает равновесную концентрацию в зависимости от парциального давления. Когда давление в адсорбционном слое уменьшается, парциальное давление снижается, приводя к более низкой концентрации на адсорбирующем материале. Это приводит к десорбции загрязнителей из адсорбционного слоя, которые могут быть отведены на факел.

[0087] На фиг.6 представлена иллюстративная диаграмма 600, связанная с еще одной стадией режима запуска в соответствии с вариантом осуществления способов по настоящему изобретению. На данной диаграмме 600 показана стадия продувки внешним газом. На данной стадии продувки внешним газом внешний газовый поток, который может быть преимущественно потоком азота, может быть направлен по трубопроводу 602 в нагревательное устройство 604. Нагревательное устройство 604 может быть выполнено с возможностью нагревания внешнего газового потока до температуры менее 550°F (288°С), менее 500°F (260°С), менее 450°F (232°С) или менее 350°F (177°С), и может быть температурой газообразного сырьевого потока,на 50°F (28°С) выше температуры газообразного сырьевого потока, на 100°F (56°С) выше температуры газообразного сырьевого потока или на 250°F (139°С) выше температуры газообразного сырьевого потока. Например, внешний поток, используемый во время стадии продувки, может иметь температуру в диапазоне между 500°F (260°С) до температуры, превышающей температуру газообразного сырьевого потока на 50°F (28°С), в диапазоне между температурой от 450°F (232°С) и до температуры газообразного сырьевого потока, в диапазоне между температурой от 450°F (232°С) и до температуры, превышающей температуру газообразного сырьевого потока на 100°F (56°С), или от 400°F (204°С) до температуры, превышающей на 200°F (111°С) температуру газообразного сырьевого потока. Затем нагретый внешний газовый поток может быть направлен в устройство 606 с адсорбционным слоем в качестве нагретого потока продувки. Нагретый поток продувки может быть направлен через устройство 606 с адсорбционным слоем для удаления одного или более загрязнителей из устройства 606 с адсорбционным слоем и отведен по трубопроводу 608 в качестве потока продукта продувки. Поток продукта продувки может быть кондиционирован и/или сброшен на факел.

[0088] На фиг.7 представлена иллюстративная диаграмма 700, связанная с другой стадией режима запуска в соответствии с вариантом осуществления способов по настоящему изобретению. На данной диаграмме 700 показаны два устройства 702 и 704 с адсорбционным слоем, осуществляющие различные стадии в соответствующей последовательности режима запуска после того, как поток продукта достигнет уровня, который удовлетворяет заданному порогу. Данная стадия может осуществляться в один или более циклов после выполнения циклов и может использоваться для запуска процессов последующей обработки, таких как система ГКЖ. Первое устройство 702 с адсорбционным слоем может осуществлять стадию адсорбции, тогда как второе устройство 704 с адсорбционным слоем может осуществлять стадию регенерации (например, стадию продувки). На стадии адсорбции сырьевой поток может быть направлен по трубопроводу 706 в первое устройство 702 с адсорбционным слоем. Сырьевой поток может взаимодействовать с адсорбционным слоем внутри устройства 702 с адсорбционным слоем с удалением одного или более загрязнителей из сырьевого потока, и образующийся в результате поток может быть отведен в процесс последующей обработки по трубопроводу 710. Внешний поток может направляться в нагревательное устройство 712 по трубопроводу 714 для осуществления стадии регенерации для устройства 704 с адсорбционным слоем. Нагревательное устройство 712 может быть выполнено с возможностью нагревания внешнего потока до отмеченной выше температуры. Затем, нагретый поток может быть направлен в устройство 716 декомпрессии. Устройство 716 декомпрессии может быть выполнено с возможностью снижения давления нагретого потока до давления в диапазоне от 0,1 бар абс. до 100 бар абс. (0,01-10 МПа абс.), которое ниже, чем давление внутри потока перед устройством 716 декомпрессии, или которое может быть ниже по меньшей мере на 10%, по меньшей мере на 20% или по меньшей мере на 30% относительно давления потока перед устройством 716 декомпрессии. Затем, образующийся в результате поток направляется из устройства 716 декомпрессии во второе устройство 704 с адсорбционным слоем в качестве потока продувки во время стадии регенерации для второго устройства 704 с адсорбционным слоем. Поток продувки может быть направлен через второе устройство 704 с адсорбционным слоем для удаления одного или более загрязнителей из адсорбционного слоя во втором устройстве 704 с адсорбционным слоем и отведен по трубопроводу 718 в качестве потока продукта продувки. Поток продукта продувки может быть смешан с топливным потоком, направлен на дополнительное кондиционирование и/или на факел.

[0089] На фиг.8 представлена иллюстративная диаграмма 800, связанная с другой стадией режима запуска в соответствии с вариантом осуществления способов по настоящему изобретению. На данной диаграмме 800 показаны два устройства 702 и 704 с адсорбционным слоем, осуществляющие различные стадии в соответствующей последовательности режима внешнего запуска, после того, как поток продукта достигнет уровня, который удовлетворяет заданному порогу, и после того, как процесс последующей обработки обеспечит поток продувки в устройства 702 и 704 с адсорбционным слоем. Данная стадия может осуществляться в один или более циклов после осуществления циклов на фиг.7, может включать аналогичные фиг.7 ссылочные позиции и может использоваться для перехода к нормальной работе для процесса короткоцикловой адсорбции и/или для процессов последующей обработки. В данной конфигурации, скорость потока в трубопровод 714 или клапан можно регулировать для уменьшения количества внешнего газа, подаваемого в нагревательное устройство 712 по трубопроводу 714 и в устройство 716 декомпрессии. Регулирование может зависеть от объема головного потока, подаваемого из процесса последующей обработки по трубопроводу 802. Регулирование может включать использование клапана и/или системы регулирования в каскадной конфигурации, корректировку скорости потока с помощью клапана или блокирование потока с помощью одного или более клапанов. Данный способ может использоваться для перехода процесса короткоцикловой адсорбции от процесса RCTSA в процесс RCPSA. Данный способ также может использоваться для запуска процесса выделения ГКЖ и/или процесса получения СПГ.

[0090] На фиг.9 представлена иллюстративная диаграмма 900, связанная с режимом нормальной работы. На данной диаграмме 900 показаны два устройства 902 и 904 с адсорбционным слоем, осуществляющие различные стадии в соответствующей последовательности режима нормальной работы после завершения режима запуска. Первое устройство 902 с адсорбционным слоем может осуществлять стадию адсорбции, тогда как второе устройство 904 с адсорбционным слоем может осуществлять стадию регенерации (например, стадию продувки). На стадии адсорбции сырьевой поток может быть направлен по трубопроводу 906 в первое устройство 902 с адсорбционным слоем. Сырьевой поток может взаимодействовать с адсорбционным слоем внутри устройства 902 с адсорбционным слоем с удалением одного или более загрязнителей из сырьевого потока, и образующийся в результате поток может быть отведен по трубопроводу 908 в процесс последующей обработки. Для стадии регенерации поток продувки направляется по трубопроводу 910 из процесса последующей обработки во второе устройство 904 с адсорбционным слоем. Поток продувки может быть направлен через второе устройство 904 с адсорбционным слоем для удаления одного или более загрязнителей из адсорбционного слоя во втором устройстве 904 с адсорбционным слоем и отведен по трубопроводу 912 в качестве потока продукта продувки. Поток продукта продувки может быть смешан с топливным потоком, направлен в компрессор остаточного газа или другой дополнительный процесс кондиционирования.

[0091] Как может быть понятно, процесс режима запуска может включать в себя различные сочетания стадий для осуществления процесса режима запуска. В режимах запуска могут использоваться эти различные стадии для управления последовательностью режима запуска. Например, стадия сброса давления может осуществляться после стадии продувки для соответствующих устройств с адсорбционным слоем.

[0092] В дополнение к этому, в качестве еще одного улучшения, способы настоящего изобретения могут включать в себя и другие усовершенствования. Например, нагревательная рубашка или оболочка могут использоваться для обеспечения дополнительного нагревания устройства с адсорбционным слоем. Дополнительное тепло может использоваться во время режима запуска, чтобы обеспечить дополнительное нагревание адсорбционного слоя. В частности, нагревательная рубашка может быть расположена рядом с устройством с адсорбционным слоем и/или коллекторами и трубопроводами, соединенными по текучей среде с устройством с адсорбционным слоем, и выполнена с возможностью нагревания адсорбционного слоя, что может быть представлено электронагревательной конфигурацией.

[0093] В одном или более вариантов осуществления материал может включать адсорбирующий материал, нанесенный на неадсорбирующую основу. Адсорбирующие материалы могут включать оксид алюминия, микропористые цеолиты, технический уголь, катионные цеолиты, цеолиты с высоким содержанием диоксида кремния, высококремнеземистые упорядоченные мезопористые материалы, золь-гелевые материалы, материалы, содержащие алюминий, фосфор и кислород (ALPO) (микропористые и мезопористые материалы, содержащие преимущественно алюминий, фосфор и кислород), материалы, содержащие кремний, алюминий, фосфор и кислород (SAPO) (микропористые и мезопористые материалы, содержащие преимущественно кремний, алюминий, фосфор и кислород), металлоорганические каркасные (MOF) материалы (микропористые и мезопористые материалы, состоящие из металлорганического каркаса), и цеолитовые имидазолатные каркасные (ZIF) материалы (микропористые и мезопористые материалы, состоящие из цеолитового имидазолатного каркаса). Другие материалы включают микропористые и мезопористые сорбенты, функционализированные функциональными группами. Примеры функциональных групп могут включать первичные, вторичные, третичные амины и другие непротонные основные группы, такие как амидины, гуанидины и бигуаниды.

[0094] В одном или более вариантов осуществления устройство с адсорбционным слоем может использоваться для отделения загрязнителей от сырьевого потока во время режима нормальной работы. Способ может включать в себя пропускание газообразного сырьевого потока при давлении подачи через устройство с адсорбционным слоем, имеющее адсорбентный контактор для отделения одного или более загрязнителей от газообразного сырьевого потока с образованием потока продукта, при этом адсорбентный контактор имеет первую часть и вторую часть; прерывание течения потока газообразного сырья; осуществление стадии декомпрессии, при этом стадия декомпрессии уменьшает давление внутри устройства с адсорбционным слоем; осуществление необязательной стадии нагревания, при этом стадия нагревания повышает температуру устройства с адсорбционным слоем с образованием перепада температур между сырьевым концом адсорбционного слоя и продуктовым концом адсорбционного слоя; и осуществление стадии продувки, при этом стадия продувки уменьшает давление внутри устройства с адсорбционным слоем; осуществление стадии повторного создания давления, при этом стадия повторного создания давления повышает давление внутри устройства с адсорбционным слоем; и повторение стадий а) - e) по меньшей мере в течение одного дополнительного цикла.

[0095] Кроме того, в одном или более вариантах осуществления устройство с адсорбционным слоем может включать в себя адсорбционный слой, который может использоваться для выделения целевого газа из газообразной смеси. Адсорбент обычно состоит из адсорбирующего материала, нанесенного на неадсорбирующую основу или контактор. Такие контакторы содержат по существу параллельные каналы потока, при этом 20 об.%, предпочтительно 15 об.% или менее объема открытых пор контактора, исключая каналы потока, находится в порах более примерно 20 ангстрем. Каналом потока является та часть контактора, в которой происходит течение газа при приложении стационарной разности давлений между точкой или местом, в которых сырьевой поток входит в контактор, и точкой или местом, в которых поток продукта покидает контактор. В контакторе адсорбент включен в стенку канала потока.

[0096] В одном или более вариантах осуществления, при использовании процесса RCTSA или объединенного процесса RCPSA и RCTSA, общая продолжительность цикла обычно составляет менее 600 с, предпочтительно менее 400 с, предпочтительно менее 300 с, предпочтительно менее 250 с, предпочтительно менее 180 с, более предпочтительно менее 90 с и еще более предпочтительно менее 60 с. В другом варианте осуществления конфигурация с частыми циклами может работать при более низких скоростях потока во время режима запуска по сравнению с режимом нормальной работы, что может привести к продолжительностям цикла, превышающим продолжительности цикла в режиме нормальной работы. Например, продолжительность цикла режима запуска может быть периодом времени более 1 с и менее 2400 с, периодом времени более 1 с и менее 1500 с, периодом времени более 1 с и менее 1000 с, периодом времени более 1 с и менее 600 с, периодом времени более 2 с и менее 800 с, периодом времени более 2 с и менее 400 с, периодом времени более 5 с и менее 150 с или периодом времени более 5 с и менее 90 с.

[0097] Принимая во внимание многие возможные варианты осуществления, к которым могут быть применены принципы описанного изобретения, необходимо отметить, что проиллюстрированные варианты осуществления являются лишь предпочтительными примерами изобретения и не должны рассматриваться как ограничивающие объем изобретения.

1. Способ удаления загрязнителей из газообразного сырьевого потока посредством короткоцикловой адсорбции, способ включает в себя:

а) осуществление стадии продувки, при этом стадия продувки включает пропускание внешнего газового потока через устройство с адсорбционным слоем для удаления одного или более загрязнителей из адсорбционного слоя внутри корпуса устройства с адсорбционным слоем, с образованием потока продукта продувки;

b) осуществление одной или более стадий адсорбции, при этом каждая из одной или более стадий адсорбции включает пропускание газообразного сырьевого потока через устройство с адсорбционным слоем, имеющее адсорбционный слой для отделения одного или более загрязнителей от газообразного сырьевого потока, с образованием потока продукта;

c) определение того, соответствует ли поток продукта требованию по загрязнителю;

d) если поток продукта соответствует требованию, то поток продукта направляют в процесс последующей обработки;

е) если поток продукта не соответствует требованию, то стадии а) - d) повторяют в течение по меньшей мере одного дополнительного цикла,

причем способ дополнительно включает смешивание отводимого потока из процесса последующей обработки с внешним газовым потоком перед осуществлением стадии продувки.

2. Способ по п. 1, дополнительно включающий регулирование количества внешнего газового потока, используемого при осуществлении стадии продувки, на основе количества отводимого потока из процесса последующей обработки.

3. Способ по п. 1 или 2, дополнительно включающий нагревание внешнего газового потока перед пропусканием внешнего газового потока через устройство с адсорбционным слоем.

4. Способ по п. 3, в котором внешний газовый поток нагревается до температуры в диапазоне между 500°F (260°С) до температуры, превышающей температуру газообразного сырьевого потока на 50°F (28°С).

5. Способ по п. 3, в котором внешний газовый поток нагревается до температуры в диапазоне от 450°F (232°С) до температуры газообразного сырьевого потока.

6. Способ по любому из пп. 1-5, дополнительно включающий нагревание потока продукта продувки, при этом поток продукта продувки нагревается до температуры, которая на 10°F (6°С) выше точки росы потока продукта продувки.

7. Способ по любому из пп. 5, 6, дополнительно включающий:

отделение одного или более загрязнителей от потока продукта продувки с образованием кондиционированного потока продукта продувки; и

смешивание кондиционированного потока продукта продувки с потоком из источника внешнего газа с образованием внешнего газового потока.

8. Способ по любому из пп. 1-7, в котором поток продувки пропускается в противоточном направлении относительно направления сырьевого потока, и при этом в конце стадии продувки существует перепад температур в диапазоне от 100°F (38°С) до 400°F (204°С), при этом перепад температур представляет собой разность температур между сырьевым концом адсорбционного слоя и продуктовым концом адсорбционного слоя.

9. Способ по любому из пп. 1-8, в котором продолжительность цикла составляет более 1 с и менее 2400 с.

10. Способ по любому из пп. 1-9, в котором газообразный сырьевой поток представляет собой углеводородсодержащий поток, имеющий более 1 об.% углеводородов в расчете на общий объем сырьевого потока.

11. Способ по любому из пп. 1-10, в котором газообразный сырьевой поток содержит углеводороды и CO₂, при этом содержание CO₂ находится в диапазоне от 200 об.ч./млн и до не более чем примерно 2 об.% газообразного сырьевого потока.

12. Способ по любому из пп. 1-11, в котором устройство с адсорбционным слоем выполнено с возможностью понижения содержания углекислого газа (CO₂) до менее чем 50 ч./млн.

13. Способ по любому из пп. 1-12, в котором газообразный сырьевой поток содержит углеводороды и H₂О, при этом содержание H₂О находится в диапазоне от 0,2 об.ч./млн до уровней насыщения в газообразном сырьевом потоке.

14. Способ по любому из пп. 1-12, в котором газообразный сырьевой поток содержит углеводороды и H₂O, при этом содержание H₂O находится в диапазоне от 100 об.ч./млн до 1500 об.ч./млн.

15. Способ по любому из пп. 1-14, дополнительно включающий:

направление потока продукта из устройства с адсорбционным слоем в установку сжиженного природного газа (СПГ); и

отделение топливного потока мгновенного испарения из установки СПГ для использования в качестве по меньшей мере части потока продувки.

16. Способ по любому из пп. 1-14, дополнительно включающий:

направление потока продукта из устройства с адсорбционным слоем в установку криогенного выделения газоконденсатной жидкости (ГКЖ); и

отделение головного потока из установки ГКЖ для использования в качестве по меньшей мере части потока продувки.

17. Способ по любому из пп. 1-16, в котором продолжительность цикла составляет более 2 с и менее 800 с.

18. Способ по любому из пп. 1-17, в котором внешний газовый поток представляет собой азотсодержащий поток, имеющий более 1 об.% азота в расчете на общий объем сырьевого потока.

19. Способ по любому из пп. 1-18, в котором внешний газовый поток содержит преимущественно поток азота, содержащий менее 0,1 ч./млн воды.

20. Способ по любому из пп. 1-18, в котором внешний газовый поток содержит преимущественно поток азота, содержащий менее 10 ч./млн воды.

21. Способ по любому из пп. 1-20, в котором внешний газовый поток содержит по меньшей мере один газ из азота, метана, гелия, водорода или любое их сочетание.

22. Система короткоцикловой адсорбции, содержащая:

множество коллекторов, при этом множество коллекторов содержит коллектор сырья, выполненный с возможностью обеспечения прохождения сырьевого потока к множеству устройств с адсорбционным слоем во время стадии адсорбции, коллектор продукта, выполненный с возможностью обеспечения прохождения потока продукта из множества устройств с адсорбционным слоем во время стадии адсорбции, коллектор продувки, выполненный с возможностью обеспечения прохождения потока продувки к множеству устройств с адсорбционным слоем во время стадии регенерации, коллектор продукта продувки, выполненный с возможностью обеспечения прохождения потока продукта продувки из множества устройств с адсорбционным слоем во время стадии регенерации,

при этом каждый коллектор из множества коллекторов связан с одной стадией процесса короткоцикловой адсорбции из множества стадий процесса короткоцикловой адсорбции;

множество устройств с адсорбционным слоем, соединенных с множеством коллекторов, при этом каждое из устройств с адсорбционным слоем содержит:

корпус;

адсорбирующий материал, расположенный внутри корпуса;

множество клапанов, при этом по меньшей мере один из множества клапанов связан с одним из множества коллекторов и выполнен с возможностью регулирования потока текучей среды вдоль пути потока, проходящего между соответствующим коллектором и адсорбирующим материалом, причем множество клапанов содержит один или более тарельчатых клапанов;

перепускной клапан внешнего газа, находящийся в сообщении по текучей среде с коллектором продувки и выполненный с возможностью обеспечения канала потока для внешнего газового потока из емкости для хранения внешнего газа в коллектор продувки в положении режима запуска, и выполненный с возможностью блокирования канала потока внешнего газового потока из емкости для хранения внешнего газа в коллектор продувки в положении режима нормальной работы.

23. Система короткоцикловой адсорбции по п. 22, в которой множество устройств с адсорбционным слоем выполнено с возможностью работы при давлениях в диапазоне от 0,1 бар абс. до 100 бар абс. (0,01-10 МПа абс.).

24. Система короткоцикловой адсорбции по п. 22 или 23, дополнительно содержащая нагревательное устройство, расположенное выше по потоку от коллектора продувки и ниже по потоку от емкости для хранения внешнего газа, при этом нагревательное устройство выполнено с возможностью нагревания внешнего газового потока до температуры в диапазоне от 450°F (232°С) до температуры газообразного сырьевого потока.

25. Система короткоцикловой адсорбции по любому из пп. 22-24, дополнительно содержащая установку кондиционирования, расположенную ниже по потоку от коллектора продукта продувки и выше по потоку от емкости для хранения внешнего газа, при этом установка кондиционирования выполнена с возможностью удаления одного или более загрязнителей из потока продукта продувки.

26. Система короткоцикловой адсорбции по любому из пп. 22-25, в которой множество коллекторов дополнительно содержит коллектор сброса давления, выполненный с возможностью пропускания потока сброса давления из множества устройств с адсорбционным слоем во время стадии сброса давления.

27. Система короткоцикловой адсорбции по любому из пп. 22-26, дополнительно содержащая установку сжиженного природного газа, находящуюся в сообщении по текучей среде с устройством с адсорбционным слоем и выполненную с возможностью приема потока продукта и разделения потока продукта на поток конечного продукта и топливный поток мгновенного испарения, при этом топливный поток мгновенного испарения направляется в коллектор продувки.

28. Система короткоцикловой адсорбции по любому из пп. 22-26, дополнительно содержащая установку криогенного выделения газоконденсатной жидкости (ГКЖ), находящуюся в сообщении по текучей среде с устройством с адсорбционным слоем и выполненную с возможностью приема потока продукта и разделения потока продукта на поток конечного продукта и остаточный газовый поток, при этом остаточный газовый поток направляется в коллектор продувки.

29. Система короткоцикловой адсорбции по любому из пп. 22-28, дополнительно содержащая нагревательную рубашку, расположенную рядом с устройством с адсорбционным слоем и выполненную с возможностью нагревания адсорбционного слоя.