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CN102985165A - 低排放发电厂 - Google Patents

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CN102985165A
CN102985165A CN2011800347806A CN201180034780A CN102985165A CN 102985165 A CN102985165 A CN 102985165A CN 2011800347806 A CN2011800347806 A CN 2011800347806A CN 201180034780 A CN201180034780 A CN 201180034780A CN 102985165 A CN102985165 A CN 102985165A
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CN2011800347806A
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F·A·布赫曼
崔晶瑜
M·L·琼西
S·N·米拉姆
S·L·威灵顿
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Shell Internationale Research Maatschappij BV
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Abstract

本发明涉及低排放发电厂。提供了得自发电单元的可压缩进料物流，其中所述可压缩进料物流含有至少一种目标可压缩组分和至少一种非目标可压缩组分，将该可压缩进料物流基本上同向流动与包含不可压缩流体的不可压缩流体物流混合，在所述不可压缩流体物流中目标组分能够被优先吸收。赋予该混合物流旋转速度，分离其中吸收至少部分目标组分的不可压缩流体与其中含有非目标可压缩组分的可压缩产品物流。可压缩进料物流可以以马赫数为至少0.1的物流速度提供。

Description

低排放发电厂
技术领域
本发明涉及从含多种组分的流体物流中分离出一种或多种组分。更具体地，本发明涉及使用分离装置和不可压缩流体从可压缩烟气物流中移除一个或多个可压缩组分的系统和方法。
背景技术
常规发电站的烟气通常可含有可在排放到大气中之前捕集的约3％(以体积计)至约15％的二氧化碳(CO2)以及其它组分。从烟气中捕集CO2以产生可易于运输到安全贮存位置或用于其它应用例如强化油采收操作的CO2物流的有效方法会是有用的。从气体物流捕集CO2有4种主要技术。使用反应性吸收来选择性将CO2捕集到液体吸收剂中，例如基于胺的方法。还使用膜例如半透性塑料膜或陶瓷膜将CO2从气体物流中分离出来。吸附是用于将CO2从气体物流中分离出来的另一种方法。吸附涉及将CO2置于特别设计的高表面积固体颗粒的表面上。然后可使用吸附-解吸循环分离CO2。最后，可使用低温/高压过程将CO2从气体物流中分离出来，其中通过将CO2从烟气物流冷凝出来而实现分离。
用于这些方法的分离技术包括例如蒸馏塔、汽提塔、静电除尘器和干燥器。这些装置通常尺寸大，具有长的停留时间，并且需要高的能耗。此外，这些装置在分离气态混合物时效率相对低。例如，在这样的系统中，可以使用一系列汽提塔实施CO2从气体物流的分离以移除CO2，接着进行溶剂蒸馏以回收CO2。由于这样的分离方案需要多件工艺设备，所涉及的设备通常需要大的占用空间。这样的方法在运行期间还可能承受高的能耗要求和溶剂损失。
当前的烟气CO2分离方法集中在通过用胺溶液洗涤烟气来捕集CO2。该技术在商业上用于小规模烟气，但它的应用以明显的量降低发电厂的总效率。此外，胺洗涤仍需要清除烟气物流的杂质(例如硫、氮氧化物和颗粒)以使溶剂的污染最小。例如，除胺装置外可能还需要蒸馏塔、汽提塔、静电除尘器和干燥器。
常规胺设备涉及在汽提塔中使包含目标组分(例如CO2)的气体物流与反应性吸收剂接触。从汽提塔移除的气体是洁净气体，大部分目标组分被移除。反应性吸收剂通常是胺，该胺与目标组分例如二氧化碳形成络合物。然后将富含目标组分的络合物送至再生器塔，再生器塔可以是汽提塔或蒸馏塔，在其中加热富集的络合物以释放目标组分。操作胺装置所需的附加设备通常包括闪蒸罐、泵、再沸器、冷凝器和换热器。当气体物流含有高浓度目标组分时，移除目标组分所需的能量可能会超过物流的有效化学能。这一限制设定了可经济地运行该方法的目标组分上限浓度水平。该方法还承受高的能耗、溶剂损失和大的占用空间，使该方法对于要求小的占用空间的应用是不可行的。
还可使用过滤和膜分离来移除发电厂烟气的组分。这些方法涉及使一种气体选择性扩散通过膜以实现分离。扩散通过膜的组分相对于未扩散气体通常处于明显降低的压力并且在扩散过程期间可能损失高达三分之二的初始压力。因此，过滤器和膜分离由于需要压缩进料混合物和再压缩扩散通过膜的气体而需要高的能耗。此外，膜的寿命周期可由于膜的堵塞和破坏而变化，从而需要另外的停工期用于更换和维修。
可使用替代的分离方法例如旋流分离器来分离气体。旋流分离器使用离心力通过湍动涡流将气态组分从气-液流体流中分离出来。在流体流中产生漩涡使得较重的颗粒和/或液滴在涡流中径向向外运动，因此与气态组分分离。必须向旋流分离器加入相当大的外部能量以实现有效分离。
离心分离机和旋流分离器均使用离心力来实现分离。离心分离器可实现不混溶或不溶性组分从流动介质中分离出来；但离心分离器需要高达20,000G的机械加速。实现这些速度所需的机械部件和能量使离心分离器从流体中有效移除组分的操作费用高。
美国专利No.6,524,368(Betting等)涉及用于使一种或多种组分冷凝、接着进行分离的超声分离器。Betting涉及将不可压缩流体例如水与可压缩流体分离。在该方法中，将气体物流提供至入口。气体汇集通过喉部并膨胀进入通道，从而提高气体物流的速度达到超音速。超音区域中流动膨胀产生不可压缩流体液滴，该液滴与可压缩气体分离。该系统涉及入口物流和出口物流之间的明显压降，在分离后于下游产生冲击波，这可能需要专门设备来控制。
在van Wissen的论文中(R.J.E.van Wissen，CentrifugalSeparation for Cleaning Well Gas Streams：from Concept toPrototype(2006))，针对在不存在不可压缩流体下分离两种可压缩流体描述了气体离心分离。基于气态组分的分子量差异使用旋转圆筒产生多个可压缩物流来进行分离。如该论文所指出的，将可压缩组分例如二氧化碳与轻烃分离的可能性受所述组分之间的分子量差异限制。照此，在各组分分子量彼此接近时离心分离器不能够提供高度有效的分离。这样的设计还承受极低的分离通量，这可能需要数百万个离心分离器以应对大气体源的输出。
涡轮膨胀器是降低进料气体物流压力的设备。在如此进行时，在物流减压以及相应的温度下降期间可以提取有用功。此外，还可以由涡轮膨胀器产生流出物物流。可以使该流出物通过分离器或蒸馏塔以将该流出物分离成重液体物流。涡轮膨胀器使用相对昂贵的旋转设备。这样的设备需要高度维护，并且由于运动部件而具有较高的机械故障发生率。此外，涡轮膨胀器不太适合于某些应用，例如对于含有夹带液体或者在压力或温度下降时形成的液体的进料气体物流。在这种情形下，由于液滴和移动叶片之间的高冲击力，液滴可能损害旋转叶片。
所需要的分离设备和方法应提供高的可压缩组分分离效率，同时避免或降低压降，和不需要供给大量外部能量。
发明内容
在一方面，本发明涉及一种方法，该方法包括：
提供得自发电单元的可压缩进料物流，该可压缩进料物流包含第一可压缩组分和第二可压缩组分；
提供包含不可压缩流体的不可压缩流体物流，所述不可压缩流体能够吸收第一可压缩组分或者与第一可压缩组分反应；
将所述可压缩进料物流和不可压缩流体物流混合形成混合物流，其中所述可压缩进料物流以第一线速度沿第一方向提供用于混合和所述不可压缩流体物流以第二线速度沿第二方向提供用于混合，第二线速度具有沿与第一方向相同方向的速度分量，其中所述混合物流具有沿第三方向的瞬时第三线速度并且由第二可压缩组分和选自如下的组分组成：第一可压缩组分和不可压缩流体的混合物、第一可压缩组分和不可压缩流体之间反应的化合物或加合物、以及它们的混合物；
赋予所述混合物流旋转速度，其中该旋转速度与所述混合物流的瞬时第三线速度的方向相切或斜交；和
从所述混合物流中分离出不可压缩流体产品物流，其中所述不可压缩流体产品物流包含至少一部分所述混合物流的组分，和其中由于赋予混合物流的旋转速度而将不可压缩流体产品物流从混合物流中分离出来。
在另一方面，本发明涉及一种系统，该系统包括：
接收烃燃料并产生可压缩进料物流的发电单元，其中所述可压缩进料物流包含第一可压缩组分和第二可压缩组分；
可压缩流体分离装置，该分离装置接收不可压缩流体物流和可压缩进料物流并将可压缩进料物流分离成第一可压缩产品物流和不可压缩流体产品物流，所述第一可压缩产品物流包含至少60％第二可压缩组分，和所述不可压缩流体产品物流包含至少60％第一可压缩组分；
不可压缩流体再生器，该再生器接收不可压缩流体产品物流和排出再生的不可压缩流体和富含第一可压缩组分的第二可压缩产品物流；和
不可压缩流体注入装置，该注入装置接收再生的不可压缩流体并将该再生的不可压缩流体与发电单元产生的可压缩进料物流混合。
在另一方面，本发明涉及一种方法，该方法包括：
提供得自发电单元的可压缩进料物流，该可压缩进料物流包含第一可压缩组分和第二可压缩组分；
选择和提供不可压缩流体物流，该不可压缩流体物流包含能够选择性吸收第一可压缩组分或与第一可压缩组分反应的不可压缩流体；
将可压缩进料物流和不可压缩流体物流基本上同向流动混合以形成混合物流；
使基本上同向流动的混合物流产生旋转速度以将不可压缩流体产品物流与第一可压缩产品物流分离，其中不可压缩流体产品物流相对于不可压缩流体物流包含提高量的第一可压缩组分，第一可压缩产品物流相对于可压缩进料物流包含减少量的第一可压缩组分。
本发明的特征和优点对于本领域技术人员将是显而易见的。虽然本领域技术人员可以作出很多改变，但这些改变在本发明的主旨内。
附图说明
这些附图描述了本发明一些实施方案的某些方面，但不用于限制或限定本发明。
图1示意性描述了本发明分离方法的一个实施方案。
图2示意性描述了本发明分离方法的另一个实施方案。
图3示意性描述了不可压缩流体分离装置的一个实施方案。
图4示意性描述了本发明分离方法的又一个实施方案。
图5示意性描述了本发明分离方法的再一个实施方案。
图6示意性描述了结合了本发明分离方法的发电设施的一个实施方案。
图7示意性描述了结合了本发明分离方法的发电设施的另一个实施方案。
图8示意性描述了常规胺分离过程的实施方案。
具体实施方式
本发明的系统和方法使用离心力从进料气体物流移除一种或多种可压缩目标组分和同时限制压降和能耗。能够以与常规方法例如胺工艺相比较低的能耗将气态目标组分从进料气体物流移除。例如，入口空气物流、烟气物流或二者可以使用本发明的系统和方法进行处理以在将烟气排放到大气之前移除至少一些二氧化碳。与其它方法相比，该烟气处理可以以较高效率和较低能耗进行。相对于常规气体分离方法，可以限制进料物流和产品物流之间的压降，从而避免或至少限制在该方法下游的再压缩需要。该方法还利用相对少的设备件数，因此限制了该方法的总占用空间。本发明的系统和方法使用不可压缩流体以有助于从气体物流移除目标组分。下面将更为详细地描述特定实施方案的某些优点。
参考图1，其中给出了分离系统100的实施方案，其中具有可压缩进料物流102，不可压缩流体物流108，分离装置104，第一可压缩产品物流106，多个不可压缩流体产品物流112、116、118，和不可压缩流体再生器110，该再生器产生一个或多个第二可压缩产品物流114、120、122。该方法的作用是从可压缩进料物流102分离出来可压缩目标组分并且产生第一可压缩产品物流106和一个或多个第二可压缩产品物流114、120、122。可压缩产品物流的数目将取决于从可压缩进料物流102移除的目标组分或目标组分组的数目。如本文所使用的，术语“目标组分”是指单独地或者成组地从可压缩进料物流中分离出来的一个或多个可压缩组分，并且以单数使用的术语可包括多个可压缩组分。可压缩进料物流102包含多个可压缩组分，其中至少一种将与进料物流102的其它可压缩组分分离。
提供由不可压缩流体组成的不可压缩流体物流108，将其与可压缩进料物流102基本上同向流动混合，以在进入分离装置104之前、之时和/或在分离装置104内产生包含可压缩组分和不可压缩流体的混合物的混合物流。在一个实施方案中，可以提供任选的不可压缩流体物流124、126并将其基本上同向流动与可压缩组分在分离装置内混合以进一步强化可压缩组分的分离。
如本文所使用的，将不可压缩流体物流和可压缩进料物流以“基本上同向流动”混合是指一种方法，在该方法中可压缩进料物流以第一线速度沿第一方向提供用于混合，不可压缩流体物流以第二线速度沿第二方向提供用于混合，其中第二线速度具有沿与可压缩进料物流第一线速度的第一方向相同方向的速度分量(例如不可压缩流体物流的第二线速度具有由可压缩进料物流第一线速度的第一方向限定的沿该第一方向的方向的轴取向的向量)，以及将具有沿第一方向的第一线速度的可压缩进料物流与具有沿第二方向的第二线速度的不可压缩流体物流混合以形成具有沿第三方向的第三线速度的混合物流。如本文所使用的，“线速度”是指在分离装置内特定组分或物流在特定时间或在特定位置具有方向的速度向量，所述速度向量不必相对于该分离装置的一个或多个轴具有恒定方向。所述混合物流的线速度可以随时间改变方向，因此第三方向在本文定义为混合物流的瞬时线速度的方向(即瞬时第三线速度)。混合物流的瞬时第三线速度可以具有沿与可压缩进料物流第一线速度的第一方向相同方向的速度分量和/或可以具有沿不可压缩流体物流第二线速度的第二方向相同方向的速度分量。在本发明的实施方案中，可压缩进料物流的第一线速度的第一方向、不可压缩流体物流的第二线速度的第二方向、和混合物流的瞬时第三线速度的第三方向均是相同的(例如可压缩进料物流、不可压缩流体物流和混合物流同向流动)。可压缩进料物流的第一线速度、不可压缩流体物流的第二线速度和混合物流的第三线速度的大小可以相对于彼此改变。
在分离装置104中，目标组分被不可压缩流体物流108的不可压缩流体吸收或者与之反应并且与混合物流的其它“非目标”可压缩组分分离。如本文所使用的，术语“可压缩组分和不可压缩流体的混合物”包括其中可压缩组分(即目标组分)被吸收在不可压缩流体中的组合物。在一个实施方案中，分离装置104是离心力分离器，在该离心力分离器中赋予混合物流旋转速度，并由于该混合物流流经该分离器的旋转运动而将含有可压缩目标组分的不可压缩流体与该混合物流的其它组分分离。离心力分离器内的旋转运动还可在混合物流的可压缩组分内产生分层。混合物流的较重可压缩组分和不可压缩组分通过该混合物流的旋转速度朝向分离装置壁进行分离。这种分层还可进一步提高不可压缩流体内任何重的目标组分负载量。
如本文所使用的，术语“旋转速度”是指物流、流体或组分环绕轴旋转运动的速度，其中所述轴可以通过物流、流体或组分的瞬时线速度的方向进行限定。旋转速度可以与物流的瞬时线速度的方向所限定的轴相切或斜交。例如，赋予混合物流的旋转速度可以与第三方向(例如为混合物流的瞬时线速度的瞬时第三线速度的方向)相切或斜交或者可以与第一方向(例如为可压缩进料物流的线速度的第一线速度的方向)相切或斜交。另外，如本文所使用的，“合速度”是指特定组分、流体或物流的总速度，该总速度包括线速度和旋转速度分量。
在一个实施方案中，第一可压缩产品物流106离开分离装置并且可用于多种下游用途。不可压缩流体产品物流112和任选的不可压缩流体产品物流116、118离开分离装置104并且可以通到第二分离过程110，在该分离过程中可以将至少一些目标组分(例如H2S、CO2)从所述不可压缩流体产品物流移除。目标组分可以作为一个或多个第二可压缩产品物流114、120、122从第二分离过程110输出。再生的不可压缩流体可以离开第二分离过程110以特别用作与可压缩流体进料物流102组合和混合的不可压缩流体物流108。
[[[可压缩物流描述]]]
在本发明的实施方案中，可压缩进料物流通常包括任意多组分可压缩气体，该可压缩气体期望分成两个或更多个可压缩产品物流。在发电厂的上下文中，可压缩进料物流可以是用于生产燃烧入口空气物流的空气物流。燃烧过程可使用富集氧气的入口空气物流以限制所得烟气物流的下游分离要求。
在一个实施方案中，使用包含基本上纯氧的入口空气物流的燃烧过程称作含氧燃料燃烧。如本文所使用的，“基本上纯氧”的物流包含大于95％氧气。所得含氧燃料燃烧烟气物流具有二氧化碳和水作为主要组分。在该过程中，可从所述烟气相对容易地捕集二氧化碳，而不必如用大气空气燃烧燃料时一样将其与含有氮气作为主要组分的气体物流分离。
含氧燃料燃烧所需要的氧气物流可在本文所述的分离过程中使用空气作为可压缩进料物流进行生产。在该方法中将氧气与空气的其它组分(主要是氮气)分离以产生包含基本上纯氧的可压缩产品物流。使用氧气的燃烧与使用空气的燃烧不同。例如，与使用利用空气的相同燃料的方法相比，燃烧温度通常更高和燃烧室体积通常更小。由于设计和物料考虑，燃烧温度可通过将燃烧烟气再循环回到燃烧室来控制，以便提供例如20-28％的入口物流的平均氧气含量。
在一个实施方案中，可压缩进料物流可以是包含多种组分的烟气。如本文所使用的，“烟气”是指燃料源燃烧产生的可通过烟道排到大气的可压缩物流，所述烟道是用于输送来自燃烧装置例如燃烧室、烘箱、炉子、锅炉、焚化炉、涡轮机或蒸汽发生器的废气的管道或通道。在一个实施方案中，烟气可以指在发电厂产生的任何燃烧废气。烟气可由多种燃料源产生。例如，烟气可以作为燃料例如天然气、汽油、柴油燃料、燃料油、煤或有机物质例如木材或生物质燃烧的结果而排放。
如下文更为详细地描述，烟气组成取决于燃料组成和所用燃烧装置的类型。一般而言，得自烃燃烧的烟气包含得自助燃空气的氮气(如果存在于助燃空气中)、二氧化碳(CO2)和水蒸气以及得自助燃空气的过量氧气。它还可以含有少量污染物例如颗粒物质(如液滴和/或固体颗粒)、一氧化碳、氮氧化物、硫氧化物、有机物质和潜在的不燃性无机物如包含在各种燃料如煤或城市垃圾中的重金属。
燃烧装置的类型也可影响烟气组成。一般而言，燃烧装置可以分类为直接燃烧装置和间接燃烧装置。在该上下文中，术语“直接”和“间接”是指是否允许燃料燃烧与被加热的物质接触。例如，在利用含水流体的换热器中使用天然气的锅炉可称作间接燃烧装置，这是因为天然气燃烧不直接与被加热的含水流体接触。替代地，水泥窑通常使用直接与石灰石接触的天然气燃烧来生产粉末状水泥。因此，可认为这些水泥窑是直接燃烧装置。一般而言，大多数发电厂或电力生产设备可使用间接燃烧的燃烧装置。在一些实施方案中，直接燃烧装置例如焚化炉随同热回收单元一起使用以产生蒸汽和/或电力。在这类实施方案中，烟气可含有除燃烧所产生的那些的另外组分。
间接燃烧装置中的烟气组合物可通常包括上文所列出的组分，因为只有燃料的燃烧产物存在于烟气中。燃料中包含的痕量组分可以导致这些组分释放到废气流中。例如，燃烧时，煤中发现的任何痕量组分均可能包含在烟气中。
可压缩进料物流可能通常处于来自燃烧装置的1-60bar(0.1-6MPa)的压力。该过程可以使用压力调节装置例如送风机或压缩机来改变废气流的压力以使其通过本文所述的分离装置。
可压缩进料物流的温度可随着烟气来源而改变。一般而言大多数化学过程受益于提取尽可能多的热用于这些过程内。因此烟气的排出温度可以为75-400℃，这取决于具体工艺设计。可压缩进料物流的温度可以基于可压缩进料物流的露点、目标组分的组成、和分离装置的设计。在一个实施方案中，例如通过使可压缩进料物流通过换热器来预调节该可压缩进料物流，从而使该可压缩进料物流温度处于或接近于用于所述过程的不可压缩流体的凝固点。例如，可以调节可压缩进料物流以使该可压缩进料物流温度在选择用于所述过程的不可压缩流体的凝固点的50℃内。
[[[出口物流描述]]]
本文所述的分离过程和系统可产生多种产品物流。在将可压缩进料物流和不可压缩流体物流混合形成混合物流时，所述可压缩进料物流的第一可压缩组分(例如目标组分)可被所述不可压缩流体物流的不可压缩流体吸收或与之反应(优选可逆反应)。在将不可压缩流体从混合物流中分离时，形成含有不可压缩流体和至少部分第一可压缩组分和/或不可压缩流体与第一可压缩组分之间反应的化合物或加合物的不可压缩流体产品物流。可使可压缩进料物流的第二可压缩组分通过分离过程以形成第一可压缩产品物流。
可以使附加组分随同第二可压缩组分一起通过分离装置并且包含在第一可压缩产品物流内。例如，当可压缩进料物流是包含二氧化碳、氧气和氮气的烟气物流时，可压缩产品物流可以包括包含至少部分氧气和氮气的第一可压缩产品物流和包含至少部分二氧化碳的第二可压缩产品物流。作为另一个实例，当包含氧气、氮气和氩气的入口空气物流是可压缩进料物流时，第一可压缩产品物流可以包含至少部分氮气和氩气，和第二可压缩产品物流可以包含至少部分氧气。
在本发明的方法和/或系统的实施方案中，可以将多个不可压缩流体物流基本上同向流动与可压缩进料物流混合以形成混合物流，和然后可以从该混合物流中分离以产生多个不可压缩流体产品物流。当可压缩进料物流包含多种可压缩目标组分用于移除时，这样的实施方案可能是有用的。可以对各不可压缩流体物流的每种不可压缩流体进行选择以选择性吸收可压缩进料物流中选定的目标组分或与之反应(优选可逆反应)。可以将多个不可压缩流体物流与可压缩进料物流混组合在单个分离器装置或在多个分离器装置中将它们从混合物流中分离出来。在单个分离器装置中，一般而言，在赋予可压缩进料物流和不可压缩流体物流的混合物旋转速度之后，最重的可压缩组分(包括被不可压缩流体吸收或与之反应的那些)将首先被移除。当使用多个分离装置时，可以串联使用所述分离装置以任选使用多种不可压缩流体在每个分离装置中移除一种或多种组分。
可对不可压缩流体产品物流进行处理以解吸或可逆地释放部分第一可压缩组分(例如目标组分)从而形成第二可压缩产品物流。在其中形成多个不可压缩流体产品物流的实施方案中，可通过处理不可压缩流体产品物流以解吸或可逆地释放由不可压缩流体产品物流捕集的部分可压缩进料物流而形成多个第二可压缩产品物流。
可以从可压缩进料物流移除除目标组分以外的附加组分。例如，可压缩进料物流可以包含不可压缩固体组分(例如烟气物流中的颗粒物质污染物)。可以在可压缩进料物流中发现的附加非固体不可压缩组分包括水和在所述方法和/或系统内的操作条件下为液体的其它多种组分。可通过控制所述方法和系统的操作条件将这些组分与可压缩进料物流的其它目标组分分开移除。
作为本发明的优点，可在单个分离装置中移除多个目标组分和附加的不可压缩组分。例如，可使用单个分离装置处理来自发电单元的烟气物流以移除二氧化碳、二氧化硫、氮氧化物、颗粒物质、和/或任何其它组分。除取消移除每个阶段的单一污染物所必须的多个分离阶段外，与常规方法相比，可使用分离方法以允许更大的燃料灵活度。在一个实施方案中，可使用高硫燃料例如高硫煤并且可在分离装置中移除所产生的污染物。
在本发明的实施方案中，构造用于实现所述方法的离心分离器装置以能够沿着该分离器装置的分离段长度移除一种或多种可压缩目标组分和一种或多种除不可压缩流体外的附加组分例如固体颗粒和/或液体(包括水)。使用多个出口使可压缩进料物流内的多种组分作为多个产品物流从该分离装置移除，其中每个产品物流富含某些类型的附加组分或含有一种或多种可压缩目标组分的不可压缩流体。然后在来自从混合物流分离的不可压缩流体产品物流的不可压缩流体物流再生时，可以将每种可压缩目标组分从包括分离器装置的系统作为单独的可压缩产品物流或多个可压缩产品物流移除。第一可压缩产品物流包含非目标可压缩组分的剩余部分，所述非目标可压缩组分的剩余部分来自可压缩进料物流，但未在系统中作为目标组分利用不可压缩流体从混合物流中分离和移除或作为固体或液体从混合物流中分离出来。
在一个实施方案中，相对于可压缩进料物流，第一和第二可压缩产品物流具有不同浓度的至少两种可压缩组分。分离过程能够从所述可压缩进料物流中分离出来可压缩目标组分，从而产生第一可压缩产品物流(从中已经分离出来至少部分目标组分)和至少一个富含目标组分的第二可压缩产品物流。例如，在一个实施方案中，本发明提供了一种方法，该方法包括：提供得自发电单元的可压缩进料物流，该可压缩进料物流包含第一可压缩组分和第二可压缩组分；提供包含不可压缩流体的不可压缩流体物流，所述不可压缩流体能够吸收第一可压缩组分或者与第一可压缩组分反应；将所述可压缩进料物流和不可压缩流体物流混合形成混合物流，其中所述可压缩进料物流以第一线速度沿第一方向提供用于混合和所述不可压缩流体物流以第二线速度沿第二方向提供用于混合，第二线速度具有沿与第一方向相同方向的速度分量，其中所述混合物流具有沿第三方向的瞬时第三线速度并且由第二可压缩组分和选自如下的组分组成：第一可压缩组分和不可压缩流体的混合物、第一可压缩组分和不可压缩流体之间反应的化合物或加合物、以及它们的混合物；赋予所述混合物流旋转速度，其中该旋转速度与瞬时第三线速度的第三方向相切或斜交；和从所述混合物流中分离出不可压缩流体产品物流，其中所述不可压缩流体产品物流包含至少一部分所述混合物流的组分，和其中由于赋予混合物流的旋转速度而将不可压缩流体产品物流从混合物流中分离出来。
[[[不可压缩流体]]]
在一个实施方案中，可以使用多种不可压缩流体从可压缩进料物流移除一种或多种目标组分。可以使用能够在接触时吸收目标组分或与目标组分反应(优选可逆反应)的任何不可压缩流体来移除可压缩进料物流中的一种或多种目标组分。不可压缩流体的选择可以取决于待移除的目标组分、可压缩进料物流的性能、不可压缩流体的性能、和所述方法或分离装置内的条件。在一个实施方案中，可压缩进料物流的每种组分在不可压缩流体中的溶解度和它们在不可压缩流体中的相对溶解度可能至少部分决定不可压缩流体的选择。对不可压缩流体的选择可以至少部分通过考虑可压缩目标组分和非目标组分在不可压缩流体中溶解度的驱动力来确定。驱动力可包括但不限于极性结合力、伦敦分散力、范德华力、感应偶极力、氢键、和影响一种组分在另一种组分中的溶解度的任何其它分子间作用力。
在一个实施方案中，不可压缩流体为物理溶剂。物理溶剂包括能够吸收可压缩进料物流的组分而不形成新的化合物或加合物的任何溶剂。一般而言，液体中的气体溶解度随着液体温度降低而升高。此外，气体溶解度涉及在气相内的分压，从而较高的分压倾向于导致与气体接触的液体内更大的负载量。但存在对这些一般原则的例外。这些一般原则表示当使用物理溶剂移除可压缩进料物流的一种或多种目标组分时，如果可能应将所述溶剂冷却或亚冷却至接近所述溶剂凝固点的温度。在一个实施方案中，在所述方法内使用物理溶剂的混合物(包括物理溶剂和水的混合物)作为不可压缩流体以将一种或多种目标组分从可压缩进料物流中分离出来。
在一个实施方案中，使用甲醇作为不可压缩流体用以从可压缩进料物流中移除二氧化碳。可将水与甲醇组合以改变凝固点从而允许在各种温度下操作所述方法。表1列出了甲醇和水在不同浓度下的溶液的凝固点。在本发明的实施方案中，可以将甲醇或甲醇/水混合物冷却至接近其凝固点。例如，可以在-40℉至-145℉(-40℃至-98℃)的温度下使用甲醇或甲醇/水混合物。
可以用作不可压缩流体的其它合适的物理溶剂包括聚乙二醇的二甲醚(DEPG)、N-甲基-2-吡咯烷酮(NMP)和碳酸亚丙酯(PC)。DEPG是具有如下通式的聚乙二醇的二甲醚的混合物：
CH2O(C2H4O)nCH3
其中n为2-9的整数。DEPG可用于在0℉(-18℃)-347℉(175℃)的温度下操作。DEPG特别可用于从天然气中分离二氧化碳和许多硫化合物。NMP证明对H2S的选择性比CO2高，尽管它们二者均被吸收。NMP可用于在环境至5℉(-15℃)的温度下操作。PC可用于在0℉(-18℃)-149℉(65℃)的温度下操作。PC特别可用于从天然气中分离二氧化碳和许多硫化合物。
对物理溶剂进行选择以优先从可压缩进料物流中移除硫化合物例如二氧化硫。用于移除二氧化硫的合适的物理溶剂包括但不限于柠檬酸钠、柠檬酸钾、亚硫酸钠和氟化胺的水溶液。术语柠檬酸钾和柠檬酸钠是指其中柠檬酸根为单-、二-或三柠檬酸根离子单独或组合的以及其中钾或钠离子由除柠檬酸盐外的钾盐或钠盐供给的任何化合物。所述溶剂可通常通过施加热以释放出二氧化硫进行再生。可将二氧化硫液化和运输，或进一步处理以形成硫酸、单质硫或本领域普通技术人员已知的任何其它硫化合物。
柠檬酸钾和柠檬酸钠可在15-80℃的温度下以通常3-9的pH范围吸收二氧化硫。作为一般趋势，吸收液体越冷，所述溶剂中可吸收的二氧化硫的量越大。柠檬酸钠或柠檬酸钾的水溶液所吸收的二氧化硫可通过例如使用蒸汽或换热器将所述溶液加热到100-150℃的温度进行汽提。
在另一个实施方案中，在高达260℃的温度和1-100bar的压力下，可使用通式C(8+X)F(17+x)3N的氟化胺吸收二氧化硫。可通过将氧气引入到所述溶液中氧化氟化胺中吸收的二氧化硫以形成硫酸，或者可通过加热所述溶液汽提二氧化硫。
在一个实施方案中，可使用氟化化合物从空气物流移除作为可压缩组分的氧气。氟化化合物可以包括全氟化合物，其为通常非极性高度氟化的化合物，可表现出对某些可压缩流体的高溶解度。在其它实施方案中，氟化化合物可包含氟化芳族化合物或氟化脂族化合物，其中可包括氟化的环状化合物。合适的氟化化合物可包括但不限于六氟苯、全氟环己烷、全氟环己烯、全氟三丁胺、全氟-N-甲基哌啶、N-甲基吗啉、1，4-二氟苯、1，3，5-三氟苯、五氟氯代苯、全氟甲基苯、全氟-正己烷、全氟-正庚烷、全氟正壬烷和全氟萘烷。合适的氟化化合物可包括以FluorinertTM液体可商购自3M Electronic Materials of St.Paul，MN的那些。氟化化合物通常具有5-45℃的沸点，并可在低于该温度下用于分离过程。
对物理溶剂的选择取决于所需的分离过程特性，包括但不限于对目标组分的溶剂选择性、可压缩进料物流中水含量的影响、溶剂中的非目标组分溶解度、溶剂成本、溶剂供给和热稳定性。具体溶剂性能列于表2、表3和表4中。
Figure BPA00001657965900161
Figure BPA00001657965900171
Figure BPA00001657965900181
在一个实施方案中，不可压缩流体为化学溶剂。如本文所使用的，化学溶剂是与一种或多种目标组分反应形成不同的化合物或加合物的任何溶剂。然后可通过进一步处理由不同的化合物或加合物再生化学溶剂。例如，在一些情况中使用蒸汽直接或间接加热可以用于将不同的化合物或加合物分解为再生的化学溶剂分子和目标组分。
包含胺的化学溶剂与二氧化碳的反应用作一个化学溶剂反应循环的实例。含胺化合物与二氧化碳的反应按照式3进行。
Figure BPA00001657965900191
(式3)
在式3所示的反应中，正反应是放热的而逆反应是吸热的。在溶剂再生过程期间使氨基甲酸酯形成络合物逆转所需的热量至少部分取决于具体反应物的反应热。具有较低反应热的溶剂比具有较高反应热的那些需要较少的再生能量。
在一个实施方案中，化学溶剂包含胺。合适的包含胺的化合物包括但不限于单乙醇胺、二乙醇胺、甲基二乙醇胺、二异丙胺或二甘醇胺。在另一个实施方案中，可以使用碳酸钾的水溶液移除一种或多种目标组分。
用于移除二氧化硫的化学溶剂包括但不限于亚硫酸钠的水溶液和石灰或石灰石的水溶液。当用于吸收二氧化硫时，亚硫酸钠水溶液与二氧化硫反应形成亚硫酸氢钠。亚硫酸钠可通过将热施加到该溶液以使亚硫酸氢钠分解回到初始水溶液进行再生。在一个实施方案中，可使用石灰或石灰石的水溶液移除二氧化硫。一旦被吸收，二氧化硫就与石灰石反应生成二氧化碳和亚硫酸钙和同时二氧化硫与石灰反应生成水和亚硫酸钙。在另一个实施方案中，可使用亚硫酸钠与石灰或石灰石的组合从可压缩进料物流中移除二氧化硫。在该实施方案中，使用亚硫酸钠水溶液吸收来自可压缩进料物流的二氧化硫并随后使其与石灰或石灰石反应以再生亚硫酸钠用于再使用。该方法生成亚硫酸钙作为副产品。
可以使用雾化喷嘴将包含物理溶剂和/或化学溶剂的不可压缩物流与可压缩流体进料物流混合以产生微观尺寸液滴，如下文更为详细地论述。不可压缩流体物流压力通常由将不可压缩流体注入到可压缩流体进料物流中所需的压力量确定。不可压缩流体物流压力可以为1-200bar(0.1-20MPa)，或替代地为50-100bar(5-10MPa)。不可压缩流体基本上并流注入到可压缩进料物流中可以通过动量传递提高可压缩进料物流的组分例如可压缩进料物流的第二可压缩组分的线速度。
[[[分离装置描述]]]
可使用分离装置使用不可压缩流体从可压缩进料物流中分离出一种或多种目标组分。合适的分离装置包括在将不可压缩流体物流和可压缩进料物流混合时通过1)赋予所述混合物流旋转速度和/或2)通过形成具有旋转速度分量的混合物流，能够从通过将可压缩进料物流和不可压缩流体物流混合而形成的混合物流中分离出不可压缩流体产品物流的任何装置。优选地，构造分离装置以形成混合物流和/或赋予混合物流旋转速度。通过将可压缩进料物流和不可压缩流体物流混合形成的混合物流可以包含：不可压缩流体；选自第一可压缩组分和不可压缩流体的混合物、第一可压缩组分和不可压缩流体之间反应的化合物或加合物、以及它们的混合物的组分；和来自可压缩进料物流的第二可压缩组分。赋予混合物流旋转速度或形成具有旋转速度的混合物流至少给混合物流的组分提供了旋转速度，并且通常给混合物流的所有成分均提供了旋转速度。还可以在分离装置中的某些位置提高可压缩进料物流或混合物流的第二可压缩组分的线速度。
在具有旋转速度分量的混合物流中，未被不可压缩流体吸收的可压缩组分(即第二可压缩组分)与其中结合了可压缩进料物流的第一可压缩组分的不可压缩流体(即混合物流的组分)之间的动量差异可用以实现未吸收的可压缩组分与其中结合了第一可压缩组分的不可压缩流体的分离。例如，可以赋予混合物流旋转速度以引起流动方向连续变化，因此诱使混合物流上产生的离心力。在该实例中，不可压缩流体响应离心力向外移动，其中它可能撞击在表面上并且聚结用于收集。在每种情形中，分离器致使不可压缩流体从混合物流中分离，这可以用于将一种或多种可压缩目标组分从混合物流中分离出来，条件是可压缩目标组分被不可压缩流体吸收或与之反应。
在一个实施方案中，在分离装置中将可压缩进料物流与不可压缩流体混合以吸收该不可压缩流体中的一种或多种目标组分。如本文所使用的，目标组分可以通过物理吸收或通过与不可压缩流体化学反应以与不可压缩流体形成化合物或加合物而“吸收”在不可压缩流体中。化学反应可以是可逆的化学反应。
将可压缩进料物流与不可压缩流体混合以允许将可压缩流体进料物流的一种或多种目标组分吸收到不可压缩流体中从而产生含有一个或多个可压缩组分和其中吸收一种或多种目标组分的不可压缩流体的混合物流。使该混合物流通过分离装置以产生含有一种或多种目标组分的不可压缩流体产品物流，和包含来自可压缩进料物流的未吸收到不可压缩流体中的可压缩组分的可压缩产品物流。所述分离装置使用离心力将不可压缩流体产品物流与可压缩产品物流分离开。离心力还可引起可压缩进料物流的可压缩组分在分离器内分层，从而提高接近混合物流外层的较高分子量组分的浓度。如本文所使用的，较高分子量可压缩组分包含分子量比气体物流中其它组分大的那些物流组分。例如，当存在于主要包含二氧化碳和氮气的烟气物流中时，二氧化碳可以是较高分子量组分。在其中目标组分包括一种或多种较高分子量组分的实施方案中，分层可以提高目标组分分离效率。
用于本发明的合适的分离装置包括能够使气体与液体分离，且任选引起气体在该装置的分离段分层的任何基本上并流的离心力分离装置。该分离装置的构造材料可以基于可压缩进料物流组成、不可压缩流体组成和系统的操作参数进行选择。在一个实施方案中，该分离装置可以由不锈钢316构造以避免腐蚀。
在一个实施方案中，一种合适的分离装置包括AZGAZ在线气/液分离器(得自Merpro of Angus，Scotland)。AZGAZ装置利用内部沉降结构以及涡流诱生结构将不可压缩液滴从可压缩气体物流移除。已经大体描述了所述分离装置，现将提供更为详细的描述。
在本发明的实施方案中，使用已知用于将不可压缩流体注入到可压缩进料物流中的任何方法，将可压缩进料物流与不可压缩流体物流组合以形成混合物流。例如，可以使用雾化喷嘴将细碎的不可压缩液滴物流注入到可压缩进料物流中。在另一个实施方案中，可以使用多个喷嘴将不可压缩流体分配在可压缩进料物流内。这样的系统的设计可能取决于相对于可压缩进料物流流速的不可压缩流体流速、系统的几何形状和不可压缩流体的物理性能。
在一个实施方案中，可以使用雾化器或雾化喷嘴产生不可压缩流体的微小尺寸液滴(100-200微米的尺寸)。微小尺寸液滴的产生可形成用于吸收的巨大表面积和可压缩进料物流中的一种或多种目标组分有效吸收到不可压缩流体中的小的扩散距离。可用于不可压缩流体液滴和目标组分之间接触的界面面积可以为约40,000m2/m3混合空间。体积不可压缩流体相传质系数可以为7-8s-1。这可能是高于常规接触塔的数量级。
工业雾化器或雾化喷嘴设计可基于高压不可压缩流体(例如液体)或者它们可基于气体辅助喷嘴设计。在高压液体喷嘴中，利用不可压缩流体压力来加速该不可压缩流体通过小孔且在喷嘴通道内产生将不可压缩流体破碎为微小尺寸液滴的剪切力。剪切能由高压不可压缩流体供给且因此称作高压雾化器。在气体辅助雾化器喷嘴的情形中，超音速气体射流(例如CO2、空气、氮气或蒸汽)产生的惯性力剪切不可压缩流体射流，同时在雾化器喷嘴内且在不可压缩流体射流离开该雾化器喷嘴时，将不可压缩流体射流破碎成微小尺寸液滴。适用于本发明不可压缩流体的工业喷雾嘴和雾化喷嘴可得自Spraying System Co.of Wheaton，IL。
工业喷雾嘴或雾化喷嘴设计可产生实心锥形喷射图案或中空锥形喷射图案。中空锥形喷射图案可在更短距离内破碎不可压缩流体且因此优选用于本发明。喷嘴孔尺寸和喷射角度基于不可压缩流体流动能力和通过喷嘴的压降设计。
可压缩进料物流基本上同向流动与不可压缩流体物流组合并通过分离装置以至少部分将可压缩进料物流的一种或多种目标组分与非目标组分分离。可压缩进料物流与不可压缩流体物流组合的位置与分离装置分离段的入口之间的距离提供了一种或多种目标组分吸收到不可压缩流体中的接触空间。可调节不可压缩流体注入位置和分离装置的分离段之间的距离以提供所需的接触时间。
在如图2中所示的实施方案中，分离装置204为离心力分离器。离心力分离器204通常具有：入口或喉部216；涡流诱生结构218，用于赋予混合的不可压缩流体物流和可压缩进料物流旋转速度分量且同时强化可压缩进料物流202中包含的一种或多种目标组分吸收入不可压缩流体中；分离段220，用于从混合物流中移除任何不可压缩流体或固体组分；和扩散段228。在一些实施方案中，用于将不可压缩流体208的细雾注入到可压缩进料物流202中的不可压缩流体注射喷嘴209可以位于该分离装置内。例如，该不可压缩流体注射喷嘴可以位于喉部和涡流诱生结构之间。替代地，不可压缩流体注射喷嘴或任选多个不可压缩流体注射喷嘴位于涡流诱生结构下游分离装置的分离段内。在一些实施方案中，不可压缩流体注射喷嘴209可位于分离装置204的上游。在一些实施方案中，不可压缩流体注射喷嘴209可位于涡流诱生结构内或甚至在涡流诱生结构下游。分离装置204的分离段220可以包括用于收集来自分离装置204的任何分离的不可压缩流体的收集空间226。
喉部216，如果包括在分离装置中，则可以充当可压缩进料物流的入口，在可压缩进料物流进入分离装置204之前，可以将其与不可压缩流体物流混合。一般而言，可压缩进料物流可按亚音速进入分离装置204和喉部216。一般而言，在可压缩进料物流通过分离装置之前，喉部216用于赋予可压缩进料物流及其组分(例如第一和第二可压缩组分)提高的线速度。在一些实施方案中，喉部包括收敛部分、狭窄通道和可压缩进料物流或混合物流通过的扩散部分。一些实施方案可能不具有喉部的所有三个部分，这取决于流体流动考虑和通过分离装置的所需速度分布。收敛部分和狭窄通道可在可压缩进料物流或混合物流通过时赋予其提高的线速度。在一些实施方案中，喉部充当入口部分且不包括收敛通道或喉部。在一个实施方案中，喉部216为涡流诱生结构的上游从而使可压缩进料物流或混合物流通过喉部和然后通过涡流诱生结构，之后到达该装置的分离段。但涡流诱生结构可以位于喉部的狭窄通道内以赋予所述可压缩进料物流或混合物流旋转速度，之后提高可压缩进料物流或混合物流在喉部的扩散部分中的速度。在另一个实施方案中，涡流诱生段可以为在中心具有锥形实心部分的环形或环状用于可压缩进料物流或混合物流离开喉部和通过涡流诱生结构的平稳过渡。
喉部可以提高混合物流的线速度，并且可以至少将可压缩组分的速度提高到超音速或跨音速，或混合物流的速度可以保持亚音速。可压缩进料物流、不可压缩流体物流、包括混合物流和第一可压缩产品物流的可压缩和不可压缩组分的混合物流的线速度和/或合速度可按照马赫数进行描述。如本文所使用的，马赫数为目标(例如可压缩进料物流、不可压缩流体物流、混合物流和/或它们的组分、和/或第一可压缩产品物流)移动通过流体(例如空气)的速度除以该流体的音速。可以通过分离装置获得的流动状态可按如下以马赫数进行描述：亚音速为小于1.0马赫数，跨音速为0.8-1.2马赫数，超音速为大于1.0和通常大于1.2的任何速度。喉部的具体设计以及可压缩进料物流性能(例如温度、压力、组成、流速等)可至少部分决定物流离开喉部和相应马赫数的流动状态。在一个实施方案中，离开喉部的可压缩进料物流或混合物流可具有大于0.1或替代地大于0.2、0.3、0.4、0.5、0.6、0.7、0.8、0.9或1.0马赫数的流速。在一个实施方案中，进入分离装置分离段的混合物流可以具有大于0.1或替代地大于0.2、0.3、0.4、0.5、0.6、0.7、0.8、0.9或1.0马赫数的流速。
在一个实施方案中，混合物流中的可压缩组分例如氧气和来自可压缩进料物流的第二可压缩组分的马赫数可能与混合物流中不可压缩流体的马赫数不同。例如，混合物流中的一个或多个可压缩组分可以具有超音速马赫数，而混合物流中的不可压缩流体具有亚音速马赫数。混合物流的一个或多个可压缩组分可以具有大于0.1或0.2、0.3、0.4、0.5、0.6、0.7、0.8、0.9、1.0、1.1、1.2或1.3马赫数。独立地，混合物流中的不可压缩流体可以具有至少0.1或0.2、0.3、0.4、0.5、0.6、0.7、0.8、0.9或1.0马赫数。
如上文所示，涡流诱生结构218赋予包含可压缩进料物流和不可压缩流体物流的混合物流旋转速度分量。在混合物流进入分离装置204时，其速度可以具有基本上线性的分量。如图2中所示，将涡流诱生结构218置于分离装置的内部通路中。在另一个实施方案中，可以将涡流诱生结构以在中心具有实心锥形的环状或环形形状置于喉部的狭窄通道内或喉部的下游。
相对于进入涡流诱生结构的混合物流的可压缩组分(例如来自可压缩进料物流的第一和第二可压缩组分)的线速度，涡流诱生结构还可以提高所述可压缩组分的线速度。涡流诱生结构可以构造为具有弯曲发散结构以提高混合物流的可压缩组分的线速度，同时赋予该混合物流旋转速度分量。
涡流诱生结构218可以为任何合适的结构，或赋予涡流的任何方法，只要赋予混合物流旋转速度分量即可。涡流诱生结构218赋予混合物流的流动旋转速度分量从而促使漩涡形成，其中旋转速度分量的大小是涡流诱生结构几何形状的函数。这可以包括静态导流叶片的角度，或置于流路中的叶轮的具体几何形状。合适的涡流诱生结构可包括但不限于静态导流叶片、翼状结构、包括一个或多个锐化边缘的结构、用于产生漩涡的偏转叶片(例如V形、菱形、半δ形、山形)、和曲线管(例如螺旋管)。在一个实施方案中，涡流诱生结构可以赋予500-30,000rpm的旋转速度。
在一些实施方案中，涡流诱生结构可包含一个或多个不可压缩流体注射喷嘴。在一些实施方案中，不可压缩流体注射喷嘴可位于涡流诱生结构内。例如，如果使用叶轮作为流动诱生结构，则不可压缩流体注射喷嘴可位于叶轮尾缘上从而使不可压缩流体与可压缩进料物流通过湍流流下叶轮混合。在一些实施方案中，不可压缩流体注射喷嘴可取向以赋予可压缩进料物流除涡流诱生结构赋予的旋转速度分量外的旋转速度分量。
在另一个实施方案中(在图2中未显示)，涡流诱生结构可以包含一个或多个入口物流注射装置用于突然改变混合物流或可压缩进料物流的方向。在该实施方案中，可使一个或多个不可压缩流体注射喷嘴取向以将不可压缩流体以相对于可压缩进料物流的线速度成一定角度注入到可压缩进料物流中。所得混合物流可具有主要按注射角度和不可压缩流体注入到可压缩进料物流中的速度计的旋转速度分量，并且可具有主要按可压缩进料物流的线速度计的线速度分量。旋转速度分量和线速度分量的合速度可特别取决于不可压缩流体注入到可压缩进料物流中的角度、不可压缩流体离开不可压缩流体注射喷嘴的速度、可压缩进料物流的速度、以及不可压缩流体物流和可压缩进料物流的相对流速。
虽然不意欲受理论所束缚，分离段中混合物流的旋转运动引发致使混合物流内不可压缩流体和其中吸收的任何可压缩组分与未被吸收的可压缩组分分离的离心力。将混合物流内不可压缩流体和其中吸收的可压缩组分与未被吸收的可压缩组分分离，这是由于惯性效应以及混合物流的不可压缩流体和未被吸收的可压缩组分之间大的密度差。离心力还作用于可压缩组分从而产生压力梯度，该压力梯度由式1针对组分i表示。
Pi(r)＝Pi(0)exp(Air2)(式1)
其中Pi是组分i的分压(MPa)，Pi(0)是在该装置中心时的初始压力，r是以米(m)计的极坐标。系数Ai根据式2定义。
Ai＝(MWiΩ2)/(2RT)(式2)
其中MWi是组分i的分子量，Ω是角速度，R是气体常数，T是温度。这种关系式表明压力作为半径函数的如何变化。系数Ai在较高速度和对于具有较高分子量的可压缩组分情况下增大。
分离装置204中的混合物流202&208通过涡流诱生结构218从而使所述混合物流旋转通过分离装置的剩余部分。涡流诱生结构通常维持可压缩进料物流或混合物流的流动状态。例如，假定可压缩组分以超音速通过涡流诱生结构，则该可压缩组分速度可保持超音速线速度。对于不可压缩流体或可压缩组分以亚音速线速度进入涡流诱生结构，则所述速度的线性分量通常保持亚音速，尽管在一些构造中流速可在分离装置的分离段中改变。
虽然不意欲受理论所束缚，据认为可压缩进料物流和不可压缩流体之间的可压缩目标组分的高速传质发生在涡流诱生结构中。在混合物流通过涡流诱生结构时，在不可压缩流体液滴和来自可压缩进料物流的可压缩组分之间实现密切混合。不可压缩流体液滴和可压缩组分之间的传质速度与所述液滴的表面积成比例。照此，较小的液滴将倾向于在涡流诱生结构内显示出较大的传质速度。离开涡流诱生结构的流体混合物应处于或接近于不可压缩流体液滴和来自可压缩进料物流的可压缩目标组分之间的平衡。然后下游分离段中液滴的移除将可压缩目标组分从可压缩进料物流的可压缩非目标组分中移除。
分离装置具有用于移除任何不可压缩流体或包含在混合物流中的大部分不可压缩流体的分离段220。如上所述，从混合物流移除不可压缩流体或其一部分将组分从混合物流中分离出来，其中所述组分选自来自可压缩进料物流的第一可压缩(目标)组分和不可压缩流体的混合物、第一可压缩组分和不可压缩流体之间反应的产物或加合物、以及它们的混合物。
所述分离段可以包括用于从混合物流提取颗粒和不可压缩流体的结构。各种结构和配置均可以用于从混合物流提取颗粒和不可压缩流体，同时维持流体流经分离装置。在一个实施方案中，具有开孔或通道设置于其中的内管222可以位于位于外管224内。所述内管具有可选择以确定分离装置内流型的几何形状，如下文更为详细地描述。在分离段中，较重的组分(包括不可压缩流体以及可压缩目标组分、固体颗粒(如果有的话)和较重的可压缩组分)可以径向向外朝向内管222的内表面移动。在接触所述管道时，不可压缩流体可以在管道的内表面上形成薄膜并迁移通过内管中的开孔到达内管222和外管224之间的环形空间226。在一个实施方案中，可以对开孔的大小进行选择以使不可压缩流体薄膜形成在内管的内表面上，以便防止分离段内除被不可压缩流体吸收的可压缩组分外的任何可压缩组分进入内管和外管之间的环形空间。因为进一步吸收原因，较重的气体组分沿着内管内表面的积累可能提高较重的可压缩组分与不可压缩流体接触时的浓度。如果较重的可压缩组分可溶于不可压缩流体中或可以与不可压缩流体反应，则附加的吸收可能由于较重的可压缩组分与不可压缩流体接触时的较高分压而发生。然后含有目标组分和固体颗粒(如果有的话)的不可压缩流体迁移通过内管中的开孔并在环形空间内积累用以通过一个或多个排放口230移除。
在一个实施方案中，环形空间可以包含隔板以允许不可压缩流体从分离段的具体子段移除。例如，可以将环形空间分隔成多个子段，每个子段含有专用排放口。这样的构造可以允许在最接近入口的段中移除任何固体，接着是富含较重的可压缩组分(例如二氧化硫)的不可压缩流体，和最后接着是富含较轻气体(例如CO2)的不可压缩流体。每个子段的单独排放口的添加允许分开处理这些物流以使目标组分回收最优化和同时使过程的能耗最小化。
在另一个实施方案中，一个或多个不可压缩流体喷嘴可以位于分离段内。这样的设置可以用于环形空间内具有隔板的组合。在该实施方案中，可以将不可压缩流体注入和然后在沿下游方向注入附加的不可压缩流体之前移除。注入的不可压缩流体在每种情形中可以相同或者可以不同。因此，利用从每个段移除注入的不可压缩流体的不连续排放口，可使用不同的不可压缩流体将具体组分在整个分离段作为目标组分。
在一个实施方案中，分离段的几何形状可以采用各种形状。一般而言，较高的旋转速度导致较好的不可压缩流体分离。因此，具有收敛分布的分离段可导致较高的分离效率，但扩散部分可以具有较大的用于第一可压缩产品物流的压力恢复。圆柱部分通过维持可能由于曳力而沿分离段下降的旋转速度和线速度而使分离效率和压力恢复平衡。
如图2中所示，混合物流通过分离段的流动可以发生在包括收敛流动分布(即分离段中气体流动通道的直径沿着流动方向的流动轴降低)的内管之内。在该构造中，混合物流及其组分的线速度分量可以随着内管半径的减小而变小，这至少部分是由于不可压缩流体中目标组分的吸收。当流体物流的线速度分量降低而旋转速度分量保持不变(或降低程度较小)时，提高了定义为V旋转/V线性的涡流比。涡流比的提高可增强或加强分离的离心力，因此提高小直径颗粒从流体物流中的移除效率。
在另一个实施方案中，分离段可以在分离段内的内管中具有发散流动分布。因为流体流动现象，当具有亚音速的流体通过具有增大直径的管道时，线速度将降低。但当以超音速流动(马赫数＞1)的流体进入发散管时，线速度将提高。可以使用该方法产生混合物流的流动或混合物流的至少可压缩组分的流动，以超音速通过分离装置，这在一些实施方案中可能是希望的。
在一个实施方案中，所述管道可以在整个分离段维持恒定的直径。混合物流的合速度分布应在整个分离段保持相同或接近相同直到混合物流中未被不可压缩流体吸收的可压缩组分接近扩散器228，其中未被吸收的可压缩组分可能经历速度降低。
虽然混合物流(包括来自可压缩进料物流的第二可压缩组分)的线速度可能沿分离段降低，但在该过程中通过将不可压缩流体物流与可压缩进料物流基本上同向流动混合以形成混合物流赋予的动量传递，使第二可压缩组分的线速度在一些点相对于可压缩进料物流中第二可压缩组分的初始线速度提高。即使可压缩进料物流的第二可压缩组分的线速度在与不可压缩流体物流混合时提高，但混合物流(包括第二可压缩组分)的线速度可能在分离段中降低，和可压缩进料物流的第二可压缩组分的总线速度可能相对于可压缩进料物流中第二可压缩组分的初始线速度而降低，这取决于分离段的构造。
分离段形状的选择取决于目标组分的性能、可压缩进料物流的条件、可压缩进料物流中和出口中所期望的组分浓度、所用不可压缩流体的类型、和流经分离器的混合物流的预期旋转速率。例如，可以使用发散流动分布提高或维持超音速可压缩组分速度通过分离段。这样的设计可以调节流体条件以改进待分离的组分在不可压缩流体中的溶解度。例如，如果将二氧化碳从可压缩进料物流移除，则可以对分离段设计进行选择以使流体条件致使二氧化碳在内管的内表面上液化或接近液化。这样的实施方案应提高不可压缩流体中二氧化碳的负载量。基于热力学考虑可以实现其它效果。
在一个实施方案中，一旦移除包括可压缩目标组分和任何其它不可压缩组分的不可压缩流体，则使用扩散器使通过内管的可压缩产品物流减速。扩散器通常具有发散形状，可以基于可压缩产品物流通过内管的预期流动状态进行设计。如果期望超音速可压缩产品物流速度通过内管，则可以对扩散器进行设计以形成受控的冲击波。对于其它流动速度，可以使用扩散器利用压力的相应提高将可压缩产品物流恢复到起初线速度以用于下游过程。一般而言，可压缩产品物流通过内管的压力在通过扩散器时将提高。
在一个实施方案中，分离器装置的下游可包括其它设备以进一步处理第一可压缩产品物流206。例如，可以使用其它不可压缩流体移除设备来移除未在分离装置的分离段中分离的第一可压缩产品物流中的任何夹带的不可压缩流体液滴。例如，可使用引起第一可压缩产品物流的流动方向改变的抛光装置来促使夹带的不可压缩流体撞击在表面上且聚结用于收集。合适的抛光装置可包括但不限于叶轮类型分离器和筛网类型除雾器。附加的其它不可压缩流体移除设备可包括但不限于膜分离器。在一个实施方案中，在第一可压缩产品物流进入不可压缩流体移除设备之前，使用换热器冷却第一可压缩产品物流并促使第一可压缩产品物流中夹带的任何不可压缩流体冷凝。
[[[溶剂回收和再生(其它设备)]]]
在一个实施方案中，可以使用不可压缩流体回收工艺使不可压缩流体再生以再次用于该工艺中和回收一种或多种第二可压缩产品物流。参考图2，离开排放口230的不可压缩流体产品物流212含有与至少一种目标组分一起从分离装置204移除的不可压缩流体。为了使不可压缩流体再生用以再循环到不可压缩流体入口进入分离装置(例如喷嘴209)，使用不可压缩流体分离装置210使该不可压缩流体再生。不可压缩流体分离装置可以是能够将至少一些目标组分从不可压缩流体产品物流中分离出来的任何装置。不可压缩流体分离装置的设计可取决于目标组分组成、用于分离装置的不可压缩流体的类型和不可压缩流体中目标组分的负载量。在一个实施方案中，可以使用下文参考图4所描述的分离装置和方法将目标组分从不可压缩流体产品物流中分离出来。
在其中不可压缩流体是物理溶剂例如甲醇的实施方案中，可以使用包含汽提容器、闪蒸罐或蒸馏塔(例如选择性蒸馏塔)的简单分离装置将目标组分从不可压缩流体产品物流中移除。这样的分离装置可以通过加热富含目标组分的不可压缩流体产品物流(例如变温分离)或降低富含目标组分的不可压缩流体产品物流的压力(例如变压分离)发挥作用，因此降低不可压缩流体中目标组分的溶解度。在一些实施方案中，可以在直接热传递系统中使用蒸汽或其它合适的热源来提高不可压缩流体产品物流的温度。可通过塔顶物流214将目标组分作为气相第二可压缩产品物流分离出来并进一步送至下游过程。
可以将贫含目标组分的不可压缩流体(“再生的不可压缩流体”)在分离装置的入口处送回到不可压缩流体注射喷嘴209。从不可压缩流体分离装置210移除的不可压缩流体在再循环到不可压缩流体注入装置时，取决于不可压缩流体分离装置的条件，可能含有一些目标组分。这种较少量可基于系统的设计进行预期并且不应影响本文所述总体分离方法的移除效率。
在其中不可压缩流体是化学溶剂的实施方案中，不可压缩流体分离装置可以结合加热源用于分解原始不可压缩流体和目标组分之间形成的任何化合物或加合物。例如，可使用反应蒸馏方案从不可压缩流体产品物流中移除目标组分。加热源可以是任何直接或间接热源，例如蒸汽。如果使用直接加热，加热源(例如蒸汽)可以与目标组分一起从不可压缩流体分离装置输出并且在下游闪蒸罐中移除。以该方式分离出来的水可以弃掉或者可以再循环到锅炉或其它加热源以再次用于在工艺中。
在图3所示的实施方案中，离开排放口的不可压缩流体产品物流112含有与至少一种目标组分一起从分离装置移除的不可压缩流体。不可压缩流体分离装置110包括任何合适的分离装置例如含有多个塔板的分馏塔以允许气-液平衡。在该实施方案中，将不可压缩流体产品物流112进行加热以将可压缩组分以气相分离。冷凝器308冷却可压缩组分并产生第二可压缩产品物流309和液体产品物流302，将它们的一部分返回到不可压缩流体分离装置以允许在分离装置110中适当分离所述组分。至少部分可压缩组分被移除的不可压缩流体作为液体物流108从塔底移除。其它任选的出口物流可作为液体物流304、306离开不可压缩流体分离装置110。例如，进入不可压缩流体分离装置110的不可压缩流体产品物流112中存在的任何水可任选作为液体物流606移除，以按需进一步用于该工艺中。作为另一个实施例，可使用出口物流例如物流604将液体二氧化碳物流从不可压缩流体分离装置移除用于销售或其它用途。可在足够的温度和压力下操作不可压缩流体分离装置110以产生液体出口物流。受益于本公开内容的本领域技术人员可知晓产生液体出口物流的条件。
[[[具体实施方案]]]
在图4中示意性给出了所述方法和装置的实施方案。在该实施方案中，不可压缩流体再生装置是离心分离装置。在该实施方案中，首先使可压缩进料物流402(例如它可以是烟气物流或入口空气物流)通过压缩机404，之后在换热器405中冷却。在压缩机404的出口可压缩进料物流402处于2-200bar(0.2-20MPa)的压力。在一个实施方案中，将可压缩进料物流402的温度冷却至接近不可压缩流体的凝固点以提高一种或多种目标组分在不可压缩流体物流中的溶解度。
然后将压缩和冷却的可压缩进料物流408送至分离装置414。通过例如使不可压缩流体通过喷嘴412以产生液滴和将所述液滴注入可压缩进料物流，将压缩、冷却的可压缩进料物流408与不可压缩流体物流406组合以形成混合物流。该混合优选但并不必须在分离装置内实施。所得混合物流可在经过涡流诱生结构416之前或之后通过喉部，所述涡流诱生结构赋予该混合物流旋转速度分量。不可压缩流体液滴与可压缩进料物流在涡流诱生结构内的混合可以增强将一种或多种目标组分从可压缩进料物流转移到不可压缩流体中。通过分离装置的设计和进入物流的性能确定组合混合物的速度。视需要，可压缩进料物流处于亚音速、跨音速或超音速，而不可压缩流体物流处于亚音速速度。
在一个实施方案中，然后将所得涡流混合物流送至分离装置414的分离段418中。分离段418具有带开孔的内管420以允许与内管420和外管422之间的环形空间流体连通。由于分离段中涡流流体流动的离心力而将不可压缩流体液滴分离。不可压缩流体液滴撞击内管420的内表面上以形成不可压缩流体薄膜。然后已经从中分离出不可压缩流体的混合物流的可压缩组分离开分离段418并进入扩散段424，之后作为第一可压缩产品物流426离开分离装置414。如上所述，然后可以将第一可压缩产品物流426用于各种下游应用。
在分离装置414的分离段418中从混合物流中分离的不可压缩流体汇集在内管420和外管422之间的环形空间中，之后通过排放口428被移除。可控制通过排放口428离开分离装置414的不可压缩流体的流速，从而在内管420的内表面上维持不可压缩流体薄膜。不可压缩流体薄膜抑制混合物流中未吸收在不可压缩流体中的可压缩组分通过内管420中的开孔和通过排放口428从所述方法中输出。然后将所得富含目标组分的不可压缩流体产品物流430送至不可压缩流体再生系统。可以提供泵432以提高富含目标组分的不可压缩流体的压力用以供给到不可压缩流体再生系统。
在图4中所示的实施方案中，不可压缩流体再生系统包含离心力分离器440。将富含目标组分的不可压缩流体产品物流430供给到离心力分离器440。将蒸汽进料442进料到离心力分离器440以直接加热富含目标组分的不可压缩流体产品物流。使用任何已知的将液体物流与气体组合的方法将蒸汽进料442与富含目标组分的不可压缩流体产品物流组合。例如，可以使富含目标组分的不可压缩流体产品物流430通过喷嘴444以产生微液滴雾，可以将所述微液滴雾与蒸汽进料442混合。所得混合物然后在经过涡流诱生结构446用以赋予混合物流旋转速度分量之前或之后通过喉部。通过涡流诱生结构强化的富含目标组分的不可压缩流体液滴与蒸汽的混合可以导致一种或多种目标组分从富含目标组分的不可压缩流体产品物流转移到可压缩气态蒸汽中。通过分离装置的设计和进入物流的性能确定组合混合物的速度。视需要，混合物流的可压缩部分处于亚音速、跨音速或超音速。
所得涡流混合物流然后输送进入分离装置440的分离段448。分离段448具有带开孔的内管450以允许与内管450和外管452之间的环形空间流体连通。由于分离段中涡流流体流动的离心力而将混合物流中的不可压缩流体液滴与可压缩组分分离。不可压缩流体液滴撞击在内管450的内表面上以形成不可压缩流体薄膜。从中分离出不可压缩流体的含有一种或多种目标组分的可压缩产品物流离开分离段448并进入扩散段454，之后作为粗的可压缩目标组分产品物流456离开分离装置440。可以将粗的可压缩目标组分产品物流456送至分离装置458，例如闪蒸罐或蒸馏塔，以冷凝粗的可压缩目标组分产品物流中存在的任何水。分离装置458产生精制的可压缩目标组分产品物流，该物流是包含从可压缩进料物流中分离出来的目标组分的第二可压缩产品物流460。在一个实施方案中，第二可压缩产品物流通过压缩机462以在输送到下游用于其它应用之前使第二可压缩产品物流464的压力升高。分离装置458还产生不可压缩流体物流466，该物流包含来自注入到不可压缩流体再生装置440中的蒸汽的水。在一个实施方案中，将水再循环以形成蒸汽，将该蒸汽注入到分离装置中或另外用于所述方法中。
在一个实施方案中，在不可压缩流体分离装置440中从可压缩产品物流分离出来的不可压缩流体包括用于再循环到过程入口的贫含目标组分的不可压缩流体物流468。在一个实施方案中，在需要时，在混合容器470中加入附加的水474和补充的不可压缩流体472。贫含目标组分的不可压缩流体可以通过换热器469以将其温度调节到补充不可压缩流体的所需温度。所得贫含目标组分的不可压缩流体476通过泵478以提高压力用以通过不可压缩流体注射喷嘴412注入到分离装置中。在一个实施方案中，重复该过程以进一步从入口物流移除一种或多种组分。
图5示意性描述了使用不可压缩流体将一种或多种组分从可压缩进料物流移除的分离方法和系统的另一个实施方案。该实施方案类似于图2中所示的实施方案。在该实施方案中，可压缩进料物流502(它例如可以是烟气物流)处于2-200bar(0.2-20MPa)的压力。在必要时，可压缩进料物流可以在进入分离装置之前任选通过压缩机(图5中未示出)以提升压力。将可压缩进料物流502进料到分离装置504。通过例如使不可压缩流体通过喷嘴540以产生不可压缩流体液滴并将不可压缩流体液滴与可压缩进料物流混合，将可压缩进料物流502与不可压缩流体物流508组合。该混合优选但并不必须在分离装置内实施。所得混合物流然后可在经过涡流诱生结构518赋予该混合物流旋转速度分量之前或之后通过喉部。不可压缩流体液滴与可压缩进料物流混合被涡流诱生结构强化可以导致一种或多种目标组分从可压缩进料物流转移到不可压缩流体中。通过分离装置的设计和进入物流的性能确定混合物流的速度。
所得涡流混合物流然后送至分离装置504的分离段520中。分离段具有带开孔的内管522以允许与内管522和外管524之间的环形空间526流体连通。由于分离段中涡流流体流动的离心力而使不可压缩流体液滴可以从混合物流中分离出来。不可压缩流体液滴撞击在内管522的内表面上以形成不可压缩流体薄膜。通过从混合物流中分离出不可压缩流体形成可压缩产品物流然后离开分离段520并进入扩散段528，之后作为第一可压缩产品物流506离开分离装置504。
在一个实施方案中，第一可压缩产品物流506通过附加的不可压缩流体分离器542以移除第一可压缩产品物流506中所含的任何剩余的不可压缩流体并形成精制的第一可压缩产品物流544。在一个实施方案中，不可压缩流体分离器包括能够从第一可压缩产品物流移除不可压缩流体液滴的任何装置。例如，不可压缩流体分离器可包括但不限于叶轮分离器、沉降槽、膜和筛网型除雾器。所得精制的第一可压缩产品物流544可以送至压缩机546。随着精制的第一可压缩产品物流544通过压缩机546，所得可压缩物流548的压力可得到提高。在不可压缩流体分离器542中从第一可压缩产品物流506移除的不可压缩流体552可以与来自不可压缩流体再生器装置510的再生的不可压缩流体组合。在一个实施方案中，不可压缩流体物流552通过泵550以提供使不可压缩流体移动通过相关管道的驱动力。
在分离装置504的分离段520中从混合物流分离的富含目标组分的不可压缩流体汇集在内管522和外管524之间的环形空间526中，之后通过排放口530被移除。可控制通过排放口530从分离装置504出来的富含目标组分的不可压缩流体的流速，从而在内管522的内表面上维持不可压缩流体薄膜。不可压缩流体薄膜抑制混合物流的可压缩组分通过内管522中的开孔和通过排放口530从所述方法中输出。然后可以将从分离装置移除的富含目标组分的不可压缩流体产品物流512送至不可压缩流体再生装置510，用以从不可压缩流体分离目标组分和使不可压缩流体再生。一旦使不可压缩流体再生，可以使其再循环重新用于分离装置504中。在一个实施方案中，可以使再循环的不可压缩流体通过换热器515以在所需温度下向分离装置504提供不可压缩流体。在另一个实施方案中，在分离装置504的入口处使用的不可压缩流体508是新鲜的不可压缩流体。
不可压缩流体再生装置510作为可压缩物流514移除在不可压缩流体产品物流508中吸收的目标组分。该物流是第二可压缩产品物流514，该物流离开不可压缩流体再生装置510以本文所述产品的任何最终应用中得到利用。
在图6中所示的实施方案中，可以将本文公开的分离方法与发电设施联合应用。该分离方法类似于图2中所示的实施方案，其中将该分离方法与发电设施进行集成。在一个实施方案中，可使用该分离方法来调节用于燃烧的空气、烟气或二者。例如，可将入口空气物流602进行分离以提供进料到燃烧室604的富含氧气的空气物流620。在该实施方案中，将入口空气物流602作为可压缩进料物流进料到分离装置608。提供不可压缩流体物流606，其在进入分离装置608之前或之时与入口空气物流602组合以产生包含可压缩流体和不可压缩流体的混合物的物流。在一个实施方案中，如上所述，可提供任选的附加不可压缩流体物流用以在分离装置内与可压缩组分混合以进一步强化可压缩组分的分离。在分离装置608中，用不可压缩流体吸收目标组分并将其与混合物流的其它组分分离。例如，目标组分可以是入口空气物流内所含的氧气。在一个实施方案中，分离装置是离心力分离器，由于流体物流流经分离器的旋转运动而将含有目标组分的不可压缩流体产品物流606与混合物流的其它组分分离。然后将含有目标组分(例如氧气)的不可压缩流体产品物流送至不可压缩流体分离器610以从富含目标组分的不可压缩流体分离出至少部分目标组分。所得富含可压缩目标组分的可压缩产品物流612可通过附加的分离单元以在附加的处理单元614中调节物流(例如移除水和/或任何剩余的不可压缩流体)。然后所得富含目标组分的可压缩产品物流例如富氧空气可送至发电单元616。
发电单元616可包括本领域技术人员已知的任何合适的发电单元、操作或过程。一般而言，发电单元包括能够生产轴功、热或二者用于产生电能或热能的燃烧装置。在一个实施方案中，发电单元可包括但不限于发动机、涡轮机、由锅炉或炉子提供动力的蒸汽轮机、燃料电池、或本领域技术人员已知的任何其它发电单元。在图6中所示的实施方案中，锅炉604与入口空气物流620(可以是按上文所述预处理或未预处理的空气)一起接收燃料618例如烃燃料。可使用本领域技术人员已知的任何方法在锅炉或外部换热器622内回收所产生的热。可将所得蒸汽送至与发电机连接的转化单元624例如蒸汽轮机以产生电。
所产生的烟气物流626可从发电系统输出或变为去往分离过程的可压缩进料物流。在一个实施方案中，可利用分离过程从烟气物流626移除一种或多种组分。例如，可将进料到分离装置630的烟气物流626进行处理以移除烟气物流中存在的至少部分二氧化碳。在该实施方案中，烟气物流626作为可压缩进料物流进料到分离装置630。提供不可压缩流体物流628，其在进入分离装置630之前或之时与可压缩进料物流626组合以产生包含可压缩流体和不可压缩流体的混合物的物流。在一个实施方案中，如上所述，可提供任选的附加不可压缩流体物流用以在分离装置内与可压缩组分混合以进一步强化可压缩组分的分离。在该分离装置中，用不可压缩流体吸收目标组分并将其与混合物流的其它组分分离。例如，目标组分可以是燃烧产生并在烟气物流内包含的二氧化碳。在一个实施方案中，分离装置是离心力分离器并且由于流体物流流经分离器的旋转运动而将含有目标组分的不可压缩流体物流628与可压缩流体进料物流的其它组分分离。然后将含有目标组分(例如二氧化碳)的不可压缩流体产品物流送至不可压缩流体分离器632以移除至少部分目标组分。可以使所产生的富含可压缩目标组分的物流634通过附加的分离单元以调节物流(例如移除水和/或任何剩余的不可压缩流体)和用于下文所述的各种下游应用。可在处理单元638中将通过分离装置630的可压缩产品物流进一步处理以移除物流中剩余的任何水或不可压缩流体。可将所得可压缩物流636与至少部分目标组分一起移除用于下文所述的各种下游应用。
在图7中所示的再一个实施方案中，将本文公开的分离方法与发电设施集成以产生无烟发电厂。在一个实施方案中，使入口空气物流702通过送风机或压缩机704以用在所述方法中。可任选在单元706中处理入口空气物流以产生富含氧气的物流。当存在时，单元706可包含本文所述的分离过程或任何数量的其它空气分离过程。附加的过程可包括但不限于膜分离、变压吸附和低温分离。然后可以使入口空气物流在与燃料源709一起进入燃烧装置710之前通过任选的换热器708以提高温度。使用换热器708可以通过在该分离过程中在使烟气与不可压缩流体物流接触之前冷却烟气来提高过程效率。所产生的烟气物流712通过换热器714以产生用于发电单元716的蒸汽。所产生的烟气物流724然后可通过一系列任选的处理单元718、720和722。可以使用常规处理单元来移除烟气物流的一种或多种组分例如污染物，包括颗粒物质、氮氧化物和/或硫氧化物。在一个实施方案中，单元718包括用于从烟气物流移除颗粒物质的装置并且可包括静电除尘单元。在一个实施方案中，单元720可包括用于从烟气物流除去至少一些氮氧化物的脱氮单元。在一个实施方案中，单元722可包括用于从烟气物流除去至少部分硫氧化物的脱硫单元。在另一个实施方案中，可利用本文所述的分离过程从烟气物流除去颗粒物质、氮氧化物、二氧化硫或它们的任意组合。
在一些实施方案中，可使用本发明方法替代任选的处理单元718、720和722。在这些实施方案中，可使用分离装置(例如分离装置726)除去烟气物流中的一种或多种组分例如污染物，包括颗粒物质、氮氧化物、硫氧化物。通过使用分离装置从烟气物流除去一个或多个可压缩组分，可限制常规单元的数目，从而提高从烟气物流移除可压缩组分的效率。进一步地，通过使用分离装置和选择一种或多种不可压缩流体来移除一个或多个可压缩组分的能力允许使用多种燃料，包括具有高杂质负载量的燃料例如高硫燃料(包括煤)。
再次参考图7，在经过任选处理单元后，将烟气物流725作为可压缩进料物流送至分离装置726。提供不可压缩流体物流728，其在进入分离装置726之前或之时与可压缩进料物流725组合以产生包含可压缩流体和不可压缩流体的混合物的混合物流。在一个实施方案中，如上所述，可提供任选的附加不可压缩流体物流用以在分离装置内与可压缩组分混合以进一步强化可压缩组分的分离。在分离装置中，用不可压缩流体吸收目标组分并与混合物流的其它组分分离。例如，目标组分可以是烟气物流内所含的二氧化碳。在一个实施方案中，分离装置是离心力分离器，由于流体物流流经分离器的旋转运动而将含有目标组分的不可压缩流体物流728与可压缩流体进料物流的其它组分分离。然后将含有目标组分(例如二氧化碳、二氧化硫、氮氧化物或它们的任意组合)的不可压缩流体产品物流730送至不可压缩流体分离器732以移除至少部分目标组分。在必要时，所产生的富含可压缩目标组分的可压缩产品物流734可通过附加的分离单元以调节物流(例如移除水和/或任何剩余的不可压缩流体)。在一个实施方案中，可压缩产品物流734可包含二氧化碳并用于强化油采收操作。如下文进一步所描述，可压缩产品物流734在离开所述方法时可以是液体或超临界流体物流。
离开分离装置的可压缩产品物流736可送至任选的精制单元738以移除可作为物流744离开的物流中的任何水或不可压缩流体。例如，可使用单独的叶片冲击装置以移除任何剩余的不可压缩流体液滴或者可使用膜以移除物流中剩余的任何水或不可压缩流体。在一个实施方案中，剩余的可压缩产品物流主要包含氮气。可以将氮气在压缩机740中压缩用以销售或者可送至通风竖管742以释放到大气中。如果将剩余的可压缩产品物流压缩并销售，除紧急情况外通风竖管可以是非必需的。如果排出剩余的可压缩产品物流，则所产生的排放气体将无烟，因为水和污染物已经从烟气物流中除去。
[[[能量平衡描述]]]
在一个实施方案中，本发明提供了以相比于常规分离方法较低的能量输入要求将可压缩目标组分从可压缩进料物流分离的方法和装置。具体地，与常规方法例如蒸馏单元、汽提塔、胺工艺、旋流分离器和膜分离单元相比，使用本文所述分离过程利用了较少能量将可压缩组分从含有至少两种可压缩组分的可压缩进料物流例如烟气物流中分离出来。
在针对任何分离过程计算能耗时，若干能量形式要加以考虑。一般而言，能耗计算要考虑从系统或单元进入或出来的热流、施加给系统或系统提供的轴功、施加给系统或系统提供的流动功，通过计算所有进入或离开系统的物流的焓变以及与系统有关的物流的动能和势能改变对此加以考虑。能量平衡通常可单独考虑系统中每个单元所需的能量，除非一个单元的能量流依赖于另一个单元，例如在热整合方案中。当对比两种方法时，在该对比期间，在能耗计算中可计算和考虑进入物流的焓的任何差异(例如由温度或压力的差异引起)。此外，各种系统之间的对比应该考虑涉及入口测量位置和出口测量位置之间的任何物流的所有工艺单元。任何物流或部分物流作为系统的燃料的任何使用应在能耗计算中加以考虑。在一个实施方案中，可使用工艺模拟器或实际工艺数据来计算特定工艺的每个单元的能量要求。工艺计算能耗的一般量度包括加热和冷却负荷、蒸汽供给需要和电供给需要。
作为一般测量位置，能耗计算应考虑即将进入分离过程之前的进料物流。即使产品物流在进入系统之前液化，也应当在每个产品物流以其最终或可压缩形式产生的第一位置测量产品物流。例如，在图2中，进料物流202应在即将进入分离装置204且与不可压缩流体208组合之前进行测量。第一可压缩产品物流206可在即将离开分离装置204时进行测量，这将恰好在扩散器228的下游。第二可压缩产品物流可在分离的目标组分物流从不可压缩流体移除的第一位置进行测量。这将恰好在不可压缩流体再生装置210的下游(例如在出口处)。
其它分离方法具有类似物流位置，这些位置限定了能量平衡中所包括的单元的边界。例如，蒸馏塔可具有入口物流，该物流可在就要进入蒸馏塔之前进行测量。塔顶出口物流和塔底出口物流可代表两个出口物流测量位置。在能耗计算中要考虑这三个位置之间的所有单元。例如，可考虑任何再沸器、冷凝器、侧线物流单元、侧线物流精馏器或蒸馏序列中发现的其它单元。
作为对比例，图8中所示的常规胺设备可具有即在入口气体物流进入烟气冷却器802之前测量的入口物流。第一出口物流(例如清洁的气体物流)将在吸收器塔804的出口进行测量而第二出口物流将作为不可压缩流体再生塔806的塔顶出口物流进行测量。在能耗计算中将考虑胺分离设备中通常存在的所有单元。例如，包括闪蒸罐808、泵810、再沸器812、换热器816和任何其它附加的工艺单元在内的单元将包括在能耗计算中。
与本文所述方法相比，从可压缩进料物流分离可压缩组分的常规方法可消耗较大量的能量。在其中进料物流包括烟气的方法实施方案中，系统的能耗可小于1,200Btu/lb移除组分，小于1,000Btu/lb移除组分，或者小于800Btu/lb移除组分。
[[[分离器内的压力影响]]]
可就进料和可压缩产品物流之间的压力差描述本发明分离方法和装置的使用。作为一般测量位置，可以在接近可压缩进料物流进入分离装置的入口测量可压缩进料物流压力。在其中在分离装置前使用膨胀器和在分离装置后使用压缩机的实施方案中，其中每一个可以共用一个共轴，则可以在接近膨胀器的入口测量可压缩进料物流压力。应在产品物流以其最终形式产生的第一位置测量可压缩产品物流。例如，在图2中，在可压缩进料物流与不可压缩流体208组合前，可在接近分离装置204的入口测量可压缩进料物流202的压力。可在接近分离装置204的出口测量第一可压缩产品物流206，所述分离装置204可恰好在扩散器228的下游。可在分离的目标组分物流从不可压缩流体移除的第一位置测量第二可压缩产品物流。该位置可恰好在不可压缩流体再生装置210的下游(例如接近出口)。在其中第二可压缩产品物流作为液体离开不可压缩流体再生器且因此离开整个分离过程的实施方案中，可在可压缩组分可于不可压缩流体分离装置内压缩的位置测量第二产品物流的压力。例如，可利用分离装置中可压缩组分为气体或蒸气时的平衡蒸气压来测量第二可压缩产品物流压力。例如，可选取塔中塔板上方的条件作为该实施方案中的一般测量位置。该位置还可以用于本文所述的能量平衡。
在本发明的实施方案中，进料和可压缩产品物流之间的压差可小于常规分离方法。这是有利的，因为它将可压缩产品物流再压缩用于接下来的用途或应用的需要得以避免或最小化。在一个实施方案中，可压缩进料物流压力可在每个可压缩产品物流压力的50％内。在另一个实施方案中，可压缩进料物流压力可在每个可压缩产品物流压力的40％内。在一个实施方案中，可压缩产品物流压力可在另一个的20％内。例如，在具有两个可压缩产品物流的实施方案中，第一可压缩产品物流的压力可在第二可压缩产品物流压力的20％内。在另一个实施方案中，可压缩产品物流压力可在另一个的15％内。
[[[输出物流的最终应用]]]
本发明方法和装置产生的可压缩产品物流可以用于各种目的。在一个实施方案中，产生两个或更多个可压缩产品物流。第一个包括通过分离装置扩散器的可压缩进料物流的组分。第二个包括从可压缩进料物流移除的目标组分。取决于物流组成和性能，每个物流可以用于进一步下游应用。
在其中可压缩进料物流是空气物流的实施方案中，可压缩产品物流可以包括富含氮气的第一可压缩产品物流和富含氧气的第二可压缩产品物流。可将多个分离方法串联使用以产生具有所需纯度水平的氮气和/或氧气物流。富含氮气的物流可作为工业气体使用或排放到大气中。可使用富含氧气物流作为燃烧装置的进料，包括作为基本纯氧物流作为富氧燃料燃烧过程的进料。
在其中可压缩进料物流是烟气物流的实施方案中，可压缩产品物流可以包括燃烧产品物流以及包含一氧化碳、二氧化碳、二氧化硫、氮氧化物、氮气、有机化合物、水和它们的任意组合的一个或多个物流。可将物流进行处理以产生相对纯的化学物流用于销售或排放到大气中。可将物流进行压缩和在一些情形中液化用于销售或运输。产品物流中剩余的任何一氧化碳可进行进一步处理以产生二氧化碳。将一氧化碳转化为二氧化碳的示例性方法包括但不限于部分氧化、催化还原和水煤气变换反应。
可以将从烟气物流中分离出来的可压缩组分进行处置或用于任何其它合适的目的。例如，可以将从烟气物流中分离出来的二氧化碳注入地下地层来处置，或者可以作为强化油采收程序的一部分将其选择性注入地下地层。例如，可以作为采烃田中混相驱油程序的一部分注入二氧化碳。在注入时，二氧化碳形成使烃溶解的混溶溶剂。所产生的混合物具有较低粘度并且可更易于从地下地层移除。在另一个实施方案中，二氧化碳可以在或接近贮层底部注入以产生用于采收贮层中剩余烃的驱动力。一部分二氧化碳可与从地层采收的烃一起移除。在一个实施方案中，将分离的二氧化碳注入深蓄水层中。污染物的溶解度允许在蓄水层内的水中吸收污染物，因此贮存了污染物。
同样可以将可分离的剩余组分进行处置或用于下游工艺。在其中将硫化合物从烟气物流移除的实施方案中，可以将硫还原为单质硫，该单质硫可以销售或用于各种使用硫的工业过程。在另一个实施方案中，可通过分离过程产生液体二氧化硫物流并作为大宗化学品销售。在再一个实施方案中，可将硫转化为矿物质来处置。例如，可使用石灰或石灰石以形成亚硫酸钙或硫酸钙，它们可以以各种已知的方法进行处置。还已知将二氧化硫转化为硫酸的各种方法，硫酸是本领域技术人员已知的大宗化学品。
对于氮氧化物，类似地，可将任何分离的氮氧化物进行处理以形成单质氮气和水，例如，在选择性催化还原方法中使氮氧化物与氨或尿素接触。将氮氧化物转化为硝酸的合适方法是已知的，硝酸可用于各种工业过程中。
在其中将附加组分从烟气物流移除的实施方案中，可以使用已知技术处置这些组分。例如，如果从该工艺移除重金属(例如汞)，则可按合适的方式处置化合物或者可将金属还原为单质金属用于销售或用于各种工艺。
因此，本发明可良好地适用于获得所提及的以及其中固有的目的和优势。上面公开的特定实施方案仅是示例性的，因为本发明可以以对受益于本文中教导的本领域技术人员来说明显的不同但等价的方式进行调整和实践。此外，对本文中示出的构造或设计的细节没有限制，除非在所附权利要求书中进行了描述。因此，很明显，上面公开的特定示例性实施方案可以进行改变或调整且所有这些变化都在本发明的范围内。尽管以“包括”、“含有”或“包括”各种组分或步骤描述了组成和方法，但所述组成和方法还可以“基本上上由”或“由”各种组分和步骤组成。上面公开的所有数值和范围可以在一定范围内变化。在公开了具有下限和上限的数值范围的情况下，具体公开了落在所述范围内的任何数值和包括的任何范围。特别地，应该将本文中公开的每个数值范围(形式为“约a至约b”，或等价地“约a至b”，或等价地“约a-b”)应理解为描述了在较宽值范围内包含的每个数值和范围。另外，权利要求书中的术语具有它们的简单、普通的含义，除非本专利权所有人另外明确和清楚地定义。而且，如在权利要求中使用的不定冠词“a”或“an”在本文中将限定为指其引入要素的一个或多个。

Claims (12)

1.一种方法，该方法包括：
提供得自发电单元的可压缩进料物流，其中该可压缩进料物流包含第一可压缩组分和第二可压缩组分；
提供包含不可压缩流体的不可压缩流体物流，所述不可压缩流体能够吸收第一可压缩组分或者与第一可压缩组分反应；
将所述可压缩进料物流和不可压缩流体物流混合形成混合物流，其中所述可压缩进料物流以第一线速度沿第一方向提供用于混合和所述不可压缩流体物流以第二线速度沿第二方向提供用于混合，第二线速度具有沿与第一方向相同方向的速度分量，其中所述混合物流具有沿第三方向的瞬时第三线速度并且由第二可压缩组分和选自如下的组分组成：第一可压缩组分和不可压缩流体的混合物、第一可压缩组分和不可压缩流体之间反应的化合物或加合物、以及它们的混合物；
赋予所述混合物流旋转速度，其中该旋转速度与所述混合物流的瞬时第三线速度的方向相切或斜交；和
从所述混合物流中分离出不可压缩流体产品物流，其中所述不可压缩流体产品物流包含至少一部分所述混合物流的组分，和其中由于赋予混合物流的旋转速度而将不可压缩流体产品物流从混合物流中分离出来。
2.权利要求1的方法，还包括将第二可压缩组分从混合物流中分离出来以产生第一可压缩产品物流的步骤。
3.权利要求1或2的方法，其中在将不可压缩流体产品物流从混合物流中分离出来的步骤中，混合物流在一些位置具有马赫数大于0.1、0.2、0.3或0.4马赫的合速度或线速度。
4.权利要求1-3任一项的方法，其中所述发电单元使用烃燃料和其中所述烃燃料包括至少一种选自如下的燃料：天然气、汽油、柴油燃料、燃料油、煤、有机物质和它们的任意组合。
5.权利要求1-4任一项的方法，还包括以下步骤：
提供包含氧气和氮气的可压缩空气物流；
将可压缩空气物流分离成包含至少60％氧气的第一空气产品物流和包含至少60％氮气的第二空气产品物流；和
使用第一空气产品物流作为发电单元的进料。
6.权利要求1-5任一项的方法，还包括将至少部分第一可压缩组分从不可压缩流体产品物流中分离出来以产生第二可压缩产品物流。
7.权利要求6的方法，其中将不可压缩流体产品物流从混合物流中分离出来和将第二可压缩产品物流从不可压缩流体产品物流中分离出来要求小于1,200btu/磅从可压缩进料物流中分离出来的第一可压缩组分。
8.权利要求1的方法，其中所述发电单元使用烃燃料和其中所述烃燃料包括高硫燃料，和其中所述第一可压缩组分包括二氧化硫。
9.权利要求8的方法，还包括将至少部分二氧化硫从不可压缩流体产品物流中分离出来。
10.权利要求1的方法，其中所述可压缩进料物流还包含第三可压缩组分，其中所述不可压缩流体能够吸收可压缩进料物流中的第三可压缩组分或者与该第三可压缩组分反应，和其中所述不可压缩流体产品物流还包含至少一部分第三可压缩组分或不可压缩流体和第三可压缩组分之间反应的化合物或加合物。
11.一种系统，该系统包括：
接收烃燃料并产生可压缩进料物流的发电单元，其中所述可压缩进料物流包含第一可压缩组分和第二可压缩组分；
可压缩流体分离装置，该分离装置接收不可压缩流体物流和可压缩进料物流并将可压缩进料物流分离成第一可压缩产品物流和不可压缩流体产品物流，所述第一可压缩产品物流包含至少60％第二可压缩组分，和所述不可压缩流体产品物流包含至少60％第一可压缩组分；
不可压缩流体再生器，该再生器接收不可压缩流体产品物流和排出再生的不可压缩流体和富含第一可压缩组分的第二可压缩产品物流；和
不可压缩流体注入装置，该注入装置接收再生的不可压缩流体并将该再生的不可压缩流体与发电单元产生的可压缩进料物流混合。
12.权利要求11的系统，其中所述可压缩流体分离装置包括离心力分离器。
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