[发明专利]用于气体分离的设备和方法

说明书

有关联邦赞助研发的声明不适用。

技术领域

本发明总体涉及气体分离。更具体地，本发明涉及通过离心作用来分离进料气体的轻成分和重成分。更加具体地，在实施例中，本发明涉及利用多孔转子通过离心作用来分离气体。

背景技术

气体分离，尤其是具有相似分子量的气体的分离是一项具有挑战性的任务。同位素分离是特别困难并且能源密集型的活动。例如，将天然铀-238从铀-235中分离。天然铀的约99.284％是铀-238，而约0.711％是铀-235，并且约0.0058％是铀-234。使铀浓缩是困难的，这是因为两个同位素具有几乎相同的化学属性，并且在重量上非常相似：铀-235仅仅比铀-238轻1.26％。包括扩散技术和离心分离的开采原子量稍稍不同的同位素的分离方法已经被采用以分离铀的同位素，并且产生主要包括同位素238的贫铀以及具有比同位素铀235的自然数量更高的浓缩铀。

扩散技术被用于分离相似分子量的气体。气态扩散是一种用于通过强制气态六氟化铀穿过半透膜——典型地是银锌膜、并且靠扩散率的差异分离不同的同位素，来产生浓缩铀的技术。气态扩散产生包含铀-235和铀-238的分子之间的轻微分离，这是因为铀-238较重因此比铀-235较慢地扩散。热扩散采用经过薄液体或气体的热传递来完成同位素分离。热扩散过程利用较轻的铀-235气体分子将向热表面扩散而较重的铀-238气体分子将向冷表面扩散的事实。

已知用于相似分子量的气体分离的离心分离。气体离心机是为通过将材料放置在使材料以高速旋转的机构中、向气体混合物施加力来从铀-238中分离铀-235而专门开发的分离机器。气体离心分离过程使用大量串联和并联形式的旋转筒。每个筒的旋转基于质量产生使分子加速的强反作用离心力，并且使包含铀-238的较重气体分子向筒外侧移动，铀-235富集的较轻气体分子接近中心收集。为达到类似的分离，气体离心分离比之前的扩散过程需要少得多的能量，因此气体离心分离已经作为浓缩方法大大地取代气态扩散法。Zippe离心机是基于标准气体离心机的一个改进，主要的区别在于使用热量。加热旋转筒的底部产生对流，对流将铀-235向筒顶部移动，所述铀-235在顶部被收集。

所有大规模浓缩方案的共同特征在于它们采用许多相同的阶段以连续地产生较高浓度的铀-235。每一个阶段浓缩前一阶段的产物然后将产物传送到下一个阶段。类似地，来自每个阶段的尾料被返送到之前的阶段用于进一步处理。这种连续的浓缩系统被称作级联(cascade)。例如，通过利用级联的离心机的多次离心运行来执行气体离心分离。

另一种昂贵的气体分离例如是从井下获得的甲烷中分离不需要的成分。从甲烷中去除二氧化碳和其它成分以提供管道级甲烷通常包括使用非常低温和/或胺单元。胺单元将是昂贵的并且其操作耗费时间。

因此，在本领域中，存在分离气体的有效并且经济的设备和方法的需要。期望的是，在没有分离阶段的大级联和/或在没有冷却的情况下执行分离。

发明内容

本发明公开了一种设备，包括：(1)多孔转子，所述多孔转子关于旋转轴线对称设置，并且包围内部空间；(2)外壳，其中所述外壳和转子由环形空间分开；(3)马达，所述马达被构造为用于使转子绕旋转轴线旋转；(4)进料入口，所述进料入口沿旋转轴线设置，并且与内部空间流体连接；以及(5)第一出口，其中所述第一出口与内部空间流体连接。在本实施例中，所述设备的进料入口延伸至内部空间中。

在本实施例中，所述设备的转子是大致管状的。在本实施例中，所述设备的多孔转子由可选择性渗透材料制成或包括可选择性渗透材料。在特定实施例中，可选择性渗透材料包括烧结金属或陶瓷。在某些实施例中，所述设备的多孔转子具有在从约4英寸到约12英寸范围内的直径。在某些实施例中，所述设备的多孔转子具有在从约8英寸到约20英寸范围内的长度。在特定实施例中，所述设备的马达能够提供至少约7,500转/分的多孔转子的旋转频率。在特定实施例中，所述设备还包括第二出口，其中所述第二出口管线与环形空间流体连接。

本公开的另一个方面包括一种系统所述，所述系统包括至少一个所述设备。在特定实施例中，所公开的系统还包括至少一个泵。在某些实施例中，所述系统还包括与进料入口流体连通的进料入口管线以及与第一出口流体连接的第一出口管线，其中所述至少一个泵设置在进料入口管线或第一出口管线上。