专利名称：用于气体分离的设备和方法
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-2340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.沈％。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。本发明还公开一种将进料气体分离为第一级分和第二级分的方法，其中所述第一级分的平均分子量比第二级分的平均分子量小。所公开的方法包括(1)将进料气体引入气体离心机的转子中的内部空间中，其中转子对气体是可渗透的，并且关于旋转轴线对称设置；( 使所述转子绕所述旋转轴线旋转，其中强制进料气体的重分子朝向转子；以及 (3)从内部空间中接近旋转轴线的位置提取第一级分，将第二级分留在其中。在一些实施例中，使所述转子绕所述旋转轴线旋转提供至少7，500转/分的旋转频率。在一些实施例中，所述方法还包括从内部空间提取第二级分。在一些情况下，从内部空间中提取第二级分包括第二级分通过多孔转子和从转子的外侧提取第二级分。在特定实施例中，从转子的外侧提取第二级分还包括通过施加真空来辅助第一级分的提取。在特定实施例中，多孔转子包括烧结金属或陶瓷。在一些实施例中，从内部空间中接近旋转轴线的位置提取第一级分包括通过烧结金属管提取第一级分。在特定实施例中， 所述烧结金属管具有阻止大于分割点尺寸的粒子的平均孔径。在特定的其它实施例中，通过烧结金属管提取所述第一级分还包括通过将真空施加到所述内部空间来辅助提取所述第一级分。这些和其它实施例以及潜在优势在下面详细的描述和附图中将清晰明显。
为了更详细地描述本发明的优选实施例，现在将对附图进行参考，其中图1是根据本发明的实施例的系统的示意图。
标记和术语当在本文中使用时，当提到气体流的成分或级分时，修饰词“轻”和“重”的使用表示相对重量，即“轻”成分或级分比“重”成分或级分具有更低的分子量。当在本文中使用时，当提到气体流的成分或级分时，修饰词“大”和“小”的使用表示相对分子尺寸，即“大”成分或级分比“小”成分或级分具有更大的分子尺寸。
具体实施例方式UiM。本文公开的是将进料气体分离成轻重量的级分或成分和重重量的级分或成分的系统和方法。重重量的级分或成分具有比轻重量的级分或成分更高的分子量。离心分离依赖于模拟重力的影响(使用反作用离心加速度)根据分子的质量来分离分子，并且能够被应用到液态和气态材料中。通过将材料放置在使材料以高度旋转的机构(即离心机)内部来施加力。常规气体离心机依赖于反作用离心力基于质量加速分子的原理。如在串联和/或并联的气体离心机的级联中以传统方式执行，离心分离产生具有不同分子量的成分的分离。根据本发明，离心分离利用烧结材料(即多孔转子和/或固定烧结金属管)允许通过一个或几个单元有效分离，而不需要包含大数量(上千)的气体离心机的级联。系统和工艺类似于反渗透理论，在反渗透理论中使用压力强制溶液穿过薄膜，将溶质保留在一侧并且允许纯溶剂通过到另一侧。II.用于气体分离的系统。本发明的气体分离系统包括至少一个气体离心机。至少一个气体离心机包括至少一个多孔烧结金属转子或管。在实施例中，系统包括至少一个多孔转子。系统还包括一个或多个泵。气体分离系统还可以包括一个或多个流量控制阀。 该系统可以处于与控制系统的电子通信中，所述控制系统用于监测并控制进出气体离心机的流量。现在将参考图1描述根据本发明的用于气体分离的系统。图1是根据本发明的实施例的气体分离系统100的示意图。气体分离系统100包括气体离心机110、进料泵130A、 第一出口泵130B和第二出口泵130C。本发明的系统包括至少一个气体离心机110。所公开的系统的一个或多个气体离心机中的每一个包括外壳、至少一个从多孔转子或多孔出口管中选择的多孔元件、至少一个进料入口以及至少两个产物出口。在图1的实施例中，气体离心机Iio包括外壳165、多孔转子185、进料入口 120、第一级分出口 140以及第二产物出口 190。气体离心机110包括外壳165。如在图1中所示，外壳165包围转子185。外壳 165的外表面和/或内表面可以是柱形的。外壳165能由特殊材料制成，以防止有害材料伤害气体离心机的使用者。在应用中，气体离心机110的元件——例如壳体165——由不锈钢制成。多孔转子或固定的多孔管。一个或多个气体离心机中的每一个包括至少一个多孔元件。多孔元件可以是多孔转子或固定的多孔管。在实施例中，气体分离系统包括多孔转子。如在图1的实施例中所示，多孔转子185关于旋转轴线103对称设置在壳体165中。多孔转子185设置在外壳165中，使得在多孔转子185的外壁186和外壳165的内表面之间产生间隙或环形空间105。转子185包围内部空间122，所述内部空间122被构造成使得内部
6空间122在使用之前可以排空空气，以在运行时提供接近无摩擦的旋转。多孔转子185可以包括可选择性渗透的或尺寸排除的转子。转子可以是管状的形状，例如烧结金属管。多孔转子185被设计成使得其对期望的尺寸的气态成分是可渗透的。在应用中，系统包括多孔管。例如，在实施例中，第一出口 140是固定的多孔管150 的一端。固定的多孔管150的壁中可以包括或包含尺寸排除的或可选择性渗透的材料。多孔元件可以包括或包含烧结金属。在实施例中，多孔转子通过由任何材料制成的可选择性渗透柱体制成或包含由任何材料制成的可选择性渗透柱体，为了所期望的孔径和孔隙率以及具有承受旋转的整体强度，所述材料能被定制。合适的多孔材料可以是例如陶瓷或不锈钢。在实施例中，多孔材料包括316不锈钢。在应用中，多孔材料的孔隙率(密度)和平均孔径被定制成允许小于所期望的分割点尺寸的成分通过同时阻止具有大于分割点尺寸的成分通过。多孔材料可以是烧结材料。在实施例中，烧结材料的密度在从约3g/cm3到约6g/ cm3的范围内。在应用中，烧结材料的密度大于约3g/cm3、3. 5g/cm3、4g/cm3、4. 5g/cm3、5g/ cm3、或 6g/cm3。在应用中，多孔材料的密度是约 3. 5g/cm3、4g/cm3、4. 5g/cm3、5g/cm3 或 5. 5g/ cm3。在实施例中，可选择性渗透多孔材料的平均孔径小于约200 μ m、小于约50 μ m、小于约 20 μ m、小于约10 μ m、小于约5 μ m、小于约3 μ m、小于约Ιμπι或小于约0. 5 μ m。在实施例中，平均孔径在埃的范围内。在实施例中，通过将金属粉末——例如不锈钢粉末——放在模具中并且在高温下挤压金属粉末，来形成多孔材料。在实施例中，高于20，000磅/平方英寸(表压)(psig) 的压力用来压缩粉末并且形成多孔材料。在实施例中，高于50，000磅/平方英寸(表压) 的压力用于压缩粉末并且形成多孔材料。在实施例中，直至150，000磅/平方英寸(表压) 的压力用于压缩粉末并且形成多孔材料。挤压可以减少起始粉末至少60%的厚度。然后被挤压的材料可以在炉子中煅烧。为了避免在成形期间的收缩，材料可以达到接近但是小于熔化温度的温度，并且冷却可以在足够的持续时间内被控制以避免/最小化收缩。在形成转子的多孔材料的期间，温度控制还可以妨碍形成氧化物。转子的多孔材料可以是用户定制的以提供期望的弯曲程度的气流路径、孔隙率 (密度)以及材料的平均孔径。例如，粉末可以被挤压成蜂窝结构或添加蜡，随后被煅烧以去除蜂窝结构或蜡结构然后在转子的多孔材料中留下蜂窝或其它图案的定制路径或孔洞。 可以以这个方式设计具有所期望的平均孔径和/或流动路径的多孔转子。每个多孔转子可以具有被确定为适合于特定应用的直径和长度，并且气体离心机可以具有任何期望的标称尺寸。因此，所提供的尺寸不意味着进行限制。在应用中，多孔转子185具有从约2英寸到约12英寸、从约4英寸到约10英寸、从约4英寸到约8英寸或从约4英寸到约6英寸的范围内的直径。多孔转子185可以具有从约8英寸到约20英寸、从约10英寸到约17英寸或从约12英寸到约15英寸范围内的垂直长度。气体离心机110的标称容量可以是约10加仑、约5加仑或约1加仑。转子的烧结材料的厚度可以被定制以提供期望的表面面积。在实施例中，转子包括具有约1/4英寸、约1/2英寸、约3/4英寸或约 1英寸的厚度的烧结材料。通过提供特定孔径(例如30 μ m到100 μ m)的烧结材料、随后用分子筛或膜处理烧结材料，来得到多孔元件(例如固定金属出口管150)的期望的渗透性或平均孔径。烧结金属材料的外表面可以由一层或多层分子筛覆盖。合适的分子筛包括但不局限于碳分子筛、ALPOS、SAP0S、二氧化硅、钛硅酸盐和沸石。在实施例中，分子筛具有在从3埃(A)到约 20A (约0.3nm到约2nm)范围内的孔径。可以通过与用于在整体式和/或蜂窝催化转换器上准备催化剂表面的方法类似的方法来涂覆涂层，所述整体式和/或蜂窝催化转换器在汽车消声器上使用。多孔转子185可以包括或包含烧结金属。转子可以由可渗透材料制成或者可以包含可渗透材料。可以对于需要的具有整体强度以承受所期望的运行旋转的孔隙率和孔径， 来定制可渗透材料。在应用中，转子包含碳纤维。如在此之前被提到的，转子185可以是多孔的并且可以包括或包含烧结金属。转子可以由可渗透材料制成或包含可渗透材料。转子可以由可渗透材料制成或者可以包含可渗透材料。可以对于需要的具有整体强度以承受所期望的运行旋转的孔隙率和孔径，来定制可渗透材料。在实施例中，多孔转子185包括可渗透材料187，所述可渗透材料被夹在外支撑件186和内支撑件188之间。例如，多孔转子185的外壁186和内壁188可以是支撑材料。通过将转子185的多孔材料设置在支撑件之间，可以为其提供增加的强度。内支撑件186和外支撑件188可以类似支撑材料的篮，多孔材料被夹在其中。内支撑件和外支撑件可以被构造为网篮(例如不锈钢网篮)，多孔材料被夹在其中。内支撑件和外支撑件可以是已知的任何材料以提供支撑，并且气体可以容易地通过内支撑件和外支撑件。转子的顶部189和底部184可以对气体是不可渗透的，或者可以包括多孔材料。所公开的系统的至少一个气体离心机还包括至少一个进料入口。图1的实施例的系统100包括进料入口 120。进料入口 120被构造成将进料气体引入到由多孔转子185限定的内部空间122中。进料入口 120的一端125与气体离心机110的内部空间122流体连通。进料入口 120的出口端125接近旋转轴线103设置。进料入口 120的出口端125位于内部空间122的顶部189和底部184之间。在实施例中，进料入口 120的出口端125位于内部空间的下部中。在实施例中，进料入口 120的出口端125位于内部空间122的底部184 或靠近内部空间122的底部184。在应用中，进料入口 120的出口端125位于内部空间122 的上部中。在实施例中，进料入口 120的出口端125位于内部空间122的顶部189或靠近内部空间122的顶部189。进料入口 120的另一端被构造成用于将反应进料气体引入其中。 进料气体管线115与进料入口 120在内部空间122外侧的端部流体连接。所公开的系统的一个或多个气体离心机中的每一个还包括至少两个出口，所述出口被构造为从气体离心机中分别移除轻级分和重级分。在图1的实施例中，系统100包括轻级分出口或第一出口 140以及重级分出口或第二出口 190。轻级分出口 140与内部空间122流体连通。在实施例中，轻级分出口是多孔管150 的一端。在系统10运行期间，多孔管可以固定或者旋转。多孔管150的壁延伸内部空间 122的整个长度。在应用中，多孔管150的壁包括尺寸排除材料，所述尺寸排除材料如在此之前关于多孔元件所描述的那样。以这种方式，例如，多孔管150的壁对所期望的尺寸的气体可以是可选择性渗透的。因此，在实施例中，第一出口 140包括固定烧结金属管的一端， 所述固定烧结金属管沿轴103在多孔转子185的整个长度上延伸。固定烧结金属管对尺寸小于分割点尺寸的气体分子可以是可选择性渗透的。例如，壁150可以对甲烷气体是可渗透的，对二氧化碳是不可渗透的。第一出口或轻级分出口 140与轻气体出口管线155处于
8流体连通中。在壳体165的内表面和多孔转子185的外表面186之间产生环形区域105。重级分出口 190的一端192与环形区域105流体连通。产物出口 190的端部192可以例如朝环形区域105的顶部、底部或中央垂直地设置在环形区域105中的任何位置。在实施例中，产物出口 190的端部192朝向环形区域105的底部设置。在实施例中，第二出口 190的端部 192接近壳体165的内表面设置。可替代地，产物出口 190的端部192远离壳体165的内表面设置。可替代地，产物出口 190的端部192水平地设置在壳体165的内表面和转子185 的外表面之间的大致中间位置。重级分出口 190与重级分出口管线195流体连通。在实施例中，进料入口 120的入口端和/或出口端、第一级分出口 140和/或重级分出口 190具有1/2英寸、3/4英寸或1英寸的直径。气体离心机还包括与多孔转子联接的马达。马达能够提供多孔转子绕旋转轴线的旋转。转子的旋转对转子中的进料气体施加反作用离心力。在图1的实施例中，例如，马达 145与多孔转子185联接并且能够使多孔转子185绕旋转轴线103旋转。马达可以与多孔转子185联接，使得多孔转子185沿顺时针方向或沿逆时针方向是可旋转的。高速马达可以具有达到90，000转/分的旋转频率的性能。可替换地，一些其它装置能够提供高旋转频率。在实施例中，高速马达能够产生至少5千转/分(RPM)、7千转/分、7. 5千转/分、10 千转/分、15千转/分、20千转/分、25千转/分、30千转/分、40千转/分、50千转/分、 60千转/分、70千转/分、80千转/分或90千转/分的旋转频率。气体分离系统还可以包括一个或多个流体控制阀和/或泵以控制流入气体分离系统以及从气体分离系统流出的流量。一个或多个泵可以是可操作的以提供辅助增大通过气体离心机110的流量的真空和/或压力。例如，在图1的实施例中，气体分离系统100包括三个泵130A、130B和130C。进料泵130A位于进料入口管线115上，并且可以用作在压力下强制进给材料进入气体离心机110中。第一出口泵130B可以位于产物出口管线155 上，并且可操作以控制(辅助或最小化)通过第一出口 140的气体流量。例如，第一出口泵 130B可以用作提供从环形空间122移除轻气体级分的真空。第二出口泵130C位于第二出口管线195上，并且可操作以控制(辅助或最小化)通过第二出口 190的气体流量。可替代地或此外，一个或多个流量控制阀可以分别位于进料管线115、第一出口管线155和第二出口管线195上，并且可用于控制通过所述进料管线115、第一出口管线155和第二出口管线195的流量。系统100可以与控制系统电子通信，所述控制系统包括计算机和传感器，由此可以监测和/或控制进出进料入口 120、第一出口 140和/或第二出口 190的气体流量和/或内部空间122中的气体成分。加热器。可以想象，对于特定应用，可以加热离心机110的全部或部分以加强气体成分的分离。例如，可以使用本领域已知的设备和方法加热壳体165的全部或部分。在此应用中，第二出口 190可以期望地位于环形空间105的下部中，并且进料入口 120的入口端 125可以位于内部空间122的底部184处或内部空间122的底部184附近，并且/或者第一出口 140的出口端可以位于内部空间122的顶部189处或内部空间122的顶部189附近。可以并联和/或串联构造两个或更多个气体离心机。在实施例中，第一气体离心机的第一出口管线巧5与第二气体离心机的进料气体管线115流体连接。第一气体离心机可操作以产生包含小于第一分割点尺寸的气体分子的轻气体级分，第二气体离心机可操作以产生包含小于第二分割点尺寸的气体分子的第二轻气体级分，所述第二分割点尺寸大于第一分割点尺寸。在实施例中，第一气体离心机的第二出口管线195与第二气体离心机的进料入口管线115流体连接。在该实施例中，第一气体离心机可操作以产生包含大于第一分割点尺寸的气体分子的重气体级分，第二气体离心机可操作以产生包含大于第二分割点尺寸的气体分子的第二重气体级分，所述第二分割点尺寸大于第一分割点尺寸。以这种方法，进料气体可以被分成具有不同平均分子量的三个或更多个气体级分。壳体165提供封闭式容器。因此，在设计极限内气体离心机110内的温度和压力根据需要是可调整的。并非进行限制，气体离心机110可以在至少15磅/平方英寸(表压)、 500磅/平方英寸(表压)、1000磅/平方英寸(表压)或1455磅/平方英寸(表压)的压力条件运行。并非进行限制，气体离心机110可以在1500C>2000C>2500C>300°C>400°C> 450 V、500 0C >550 V或达到约600 V的温度条件下运行。III.气体分离的方法。现在将参考图1阐述根据本发明的分离气体的轻级分和重级分的方法。经由进料管线115和进料入口 120将气态进料引入气体离心机110中。经由入口 120将进料气体引入包含在转子185的壁之间的内部空间122中。在实施例中，进料气体被引入内部空间122的顶部或内部空间122的顶部附近。在实施例中，进料气体被引入内部空间122的底部或内部空间122的底部附近。进料气体被引入接近旋转轴线103的内部区域122中。马达145对进料气体施加反作用离心力，所述马达引起转子185绕旋转轴线103 旋转。转子可以通过至少5千转/分、7千转/分、7. 5千转/分、10千转/分、15千转/分、 20千转/分、25千转/分、30千转/分、40千转/分、50千转/分、60千转/分、70千转/ 分、80千转/分或90千转/分的旋转频率旋转。反作用离心力朝转子185的内壁188推动进料气体的重分子量成分，而进料气体的较低分子量成分趋向内部空间122的中心，朝旋转轴线103。通过第一出口 140和第一出口管线155提取低分子量气体。通过第二出口 190和第二出口管线195提取高分子量气体。可以通过第一泵130B和/或第二泵130C提供真空和/或压力辅助，以增强通过第二出口 140和第一出口管线155的轻气体级分和/或通过第二出口 190和第二气体出口管线195的重气体级分的提取。在应用中，进料气体被引入并且轻气体被提取，与此同时基于被提取的轻气体的成分监测或计算内部空间122中的气体的成分。一旦内部空间122的成分达到期望的重气体级分浓度，可以通过第二出口 190和第二气体出口管线195提取重气体。如在此之前所讨论的，在应用中，第一出口 140是多孔烧结金属管150的一端或者与多孔烧结管150流体连通。多孔管150可由可选择性渗透的材料制成，仅仅小于所期望的分割点尺寸的分子能够通过所述可渗透材料。在实施例中，进料气体被引入内部空间122 中，并且由第一出口泵130B提供真空以辅助较低分子量气体成分通过出口管140的提取。 通过第二出口泵130C或附近合适的阀，压力可以被施加到环形区域105以防止通过环形区域105除去气体。轻气体从第一出口 140中被收回。当内部空间122中的重气体成分的浓度超过所期望的值，中断进料的引入，完成低分子量的气体的提取，并且运行泵130C和/或打开合适的阀以提供重气体成分通过多孔转子185的提取和通过环形区域105输出。因此，根据本公开的方法，可以使用真空和/或压力辅助以从气体离心机110中提取所期望的成分。由于气体离心机110是由壳体165包围的封闭式容器，可以基于期望的性能选择操作温度和压力。在应用中，操作温度可以在从约25°C到约600°C的范围内。在应用中， 操作温度可以在从约100°C或150°C到约300°C、400°C或500°C的范围内。在实施例中，在室温下执行气体分离/分级。在实施例中，在5°C到45°C的温度范围内执行气体分离/分级。在实施例中，在20°C到40°C的温度范围内执行气体分离/分级。在实施例中，在25°C 到35°C的温度范围内执行气体分离/分级。操作压力可以是在设计材料的极限内的所期望的压力。利用高温可以允许在室温下非气态的供料的气相分离。气体离心处理利用以下设计在特定应用中提供气体不断地流进并且流出气体离心机。不像大多数依赖分批次处理的离心机，本公开的气体离心机允许连续的处理或半连续的处理。在此应用中，气体可以分别通过第一出口管线155和第二出口管线195从环形区域105和/或内部空间122中连续地或半连续地被提取。串联运行。在气体分离方法的实施例中，来自第一气体离心机的气体产物作为进给到第二气体离心机的进料气体被直接引入第二气体离心机中。第一气体离心机可以被运行以从进料气体中移除第一重成分，第二气体离心机被运行以从进料气体中移去第二重成分等。以这种方式，进料气体可以被分成三个或更多个成分或级分。可替代的设计在实施例中，非多孔转子与尺寸排除多孔管150结合。离心分离将引起重分子量分子趋向非多孔转子185的内壁188，低分子量气体分子趋向于内部空间 122的与旋转轴线103重合的中心。一旦内部空间内的重分子量气体的浓度超过所期望的水平，可以中断进料的引入，并且可以从内部空间122中移去重气体。可以直接地或者通过计算入口气体进料和通过第一出口 140和第一气体出口管线155移除的轻气体差值，确定内部空间122中的重气体的浓度。可以提供第二出口以从内部空间122中提取重气体。所述第二出口可以与旋转轴线103对称地延伸到内部空间122中，并且一旦第二出口在内部空间122中，第二出口可以延伸到接近转子185的内壁188的位置。例子Ml。在具体实施例中，被连续地弓I入气体离心机中的进料气体包括污染甲烷，所述污染甲烷含有二氧化碳和其它分子量比甲烷的分子量更大的气态杂质。在这种情况下， 能够通过第一出口 140从内部空间122中移除甲烷，同时从环形区域105中移除含有二氧化碳和其它重成分的重级分。可以使用尺寸排除出口管150增强分离，所述出口管具有壁， 所述壁带有尺寸能使甲烷通过并且阻止二氧化碳和其它大分子的孔。可以使用真空装置 130B辅助从内部空间122的中心收回甲烷。可以向环形空间105施加压力以防止气体通过转子185和环形区域105移除直到所期望浓度的包含二氧化碳的大分子量成分剩余在内部空间122中。此时，进料气体的引入可以被中断。真空装置130B可以继续工作一段时间以从内部空间122中移除最终量的低分子量成分。然后，可以中断真空装置130B，并且利用泵 130C通过多孔转子185和环形区域105提取高分子量材料。轻重量级分可以被引入随后的气体离心机中，并且包括甲烷的轻成分或级分可以从包括例如氮的第二重级分中分离。在实施例中，在环境温度下执行二氧化碳从甲烷气体中的该分离。在实施例中， 在5°C至45°C的温度范围内执行二氧化碳从甲烷气体中的该分离。在实施例中，在20°C至 400C的温度范围内执行二氧化碳从甲烷气体中的该分离。在实施例中，在25°C至35°C的温度范围内执行二氧化碳从甲烷气体中的该分离。以这种方法，能够在没有冷却和/或在没有胺的系统中产生管道级甲烷。Ml。在应用中，第一出口 140是多孔管150的一端或与多孔管150流体连接，所述多孔管以第一分割点尺寸设计。气体成分1具有小于分割点尺寸的分子量，而气体成分2 和3具有大于分割点尺寸的分子量。在该实施例中，可以通过第一气体出口 140从内部空间122中移除包括气体成分1的轻气体级分。可以通过第二气体出口 190从气体离心机中提取包括被阻止的成分2和成分3的重气体。随后包括被阻止的成分2和成分3的重气体可以作为进料气体被引入包括第一出口 140的第二气体离心机中，所述第二气体离心机包括烧结金属管，所述烧结金属管以大于第一分割点尺寸的第二分割点尺寸来设计。以这种方式，可以通过第一出口 140移除气体成分2，因而使气体成分2从气体成分3中分离，通过多孔转子185和环形区域105提取气体成分3。可以利用真空和/或压力辅助以增强分离。
Ml。在具体实施例中，利用公开的系统和方法来浓缩铀。在此应用中，被连续地引入尺寸排除气体离心机中的进料气体包括含有铀-235和铀-238的气态六氟化铀。在此情况下，通过第一出口 140移除轻气体成分铀-235并且通过第二出口 190提取重成分铀-238。虽然已经显示并且阐述了本发明的优选实施例，但本领域技术人员能够在不偏离本发明的精神和教导的情况下作出其变型。被阐述的实施例仅仅是示例性的，并不旨在进行限制。许多在此公开的本发明的变型和改进是可能的并且在本发明的范围内。在数字范围或限制被明确说明处，所表述的范围或限制应该被理解为包括落在被明确表述的范围和限制内相同大小的相关范围或限制(例如，从约1到约10包括2、3、4等；大于0. 10包括 0. 11,0. 12,0. 13等)。关于权利要求的任意元件使用术语“可选地”旨在表示主题元件是需要的，或可替代地是不需要的。两种情况均旨在落在权利要求的范围内。使用较广泛的术语例如包括、包含、具有等应该被理解成为较窄的术语例如由……组成、基本上包括、绝大部分地包括等提供支持。因此，保护范围不受上述的说明书限制，而仅仅受权利要求书限制，该范围包括权利要求的主题的所有等同物。每个和每条权利要求作为实施例被并入说明书中。因此，权利要求是对本发明的优选实施例的进一步的描述和附加。因此在此引用的所有专利、专利申请和公布的公开内容通过引用并入，达到其为本文所阐述的内容提供示例、程序或其它细节的程度。
权利要求
1.一种设备，包括多孔转子，所述多孔转子关于旋转轴线对称设置，并且包围内部空间；外壳，其中所述外壳和所述转子被环形空间分开；马达，所述马达被构造为用于使所述转子绕所述旋转轴线旋转；进料入口，所述进料入口沿所述旋转轴线设置，并且与所述内部空间流体连接；以及第一出口，其中所述第一出口与所述内部空间流体连接。
2.根据权利要求1所述的设备，其中所述进料入口延伸至所述内部空间中。
3.根据权利要求1所述的设备，其中所述转子是大致管状的。
4.根据权利要求1所述的设备，其中所述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。
5.根据权利要求4所述的设备，其中所述可选择性渗透材料包括烧结金属或陶瓷。
6.根据权利要求1所述的设备，其中所述多孔转子的直径在从约4英寸到约12英寸的范围内。
7.根据权利要求6所述的设备，其中所述多孔转子的长度在从约8英寸到约20英寸的范围内。
8.根据权利要求1所述的设备，其中所述马达能够提供至少约7500转/分的所述多孔转子的旋转频率。
9.根据权利要求1所述的设备，还包括第二出口，其中所述第二出口与所述环形空间流体连接。
10.一种系统，包括至少一个根据权利要求1所述的设备。
11.根据权利要求10所述的系统，还包括至少一个泵。
12.根据权利要求11所述的系统，还包括与所述进料入口流体连通的进料入口管线以及与所述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所述进料入口管线或所述第一出口管线上。
13.一种将进料气体分离为第一级分和第二级分的方法，其中所述第一级分的平均分子量比所述第二级分的平均分子量小，所述方法包括将所述进料气体引入气体离心机的转子内的内部空间中，其中所述转子对气体是可渗透的，并且所述转子关于旋转轴线对称设置；使所述转子绕所述旋转轴线旋转，由此强制所述进料气体的重分子朝向所述转子；以及从所述内部空间内在接近所述旋转轴线的位置提取所述第一级分，将所述第二级分留在所述内部空间中。
14.根据权利要求13所述的方法，还包括从所述内部空间提取所述第二级分。
15.根据权利要求14所述的方法，其中从所述内部空间提取所述第二级分包括使所述第二级分通过所述多孔转子和从所述转子的外侧提取所述第二级分。
16.根据权利要求15所述的方法，其中从所述转子的外侧提取所述第二级分还包括 通过施加真空来辅助所述第一级分的提取。
17.根据权利要求13所述的方法，其中使所述转子绕所述旋转轴线旋转提供至少7500 转/分的旋转频率。
18.根据权利要求13所述的方法，其中所述多孔转子包括烧结金属或陶瓷。
19.根据权利要求13所述的方法，其中从所述内部空间内在接近所述旋转轴线的位置提取所述第一级分包括通过烧结金属管提取所述第一级分。
20.根据权利要求19所述的方法，其中所述烧结金属管具有阻止大于分割点尺寸的粒子的平均孔径。
21.根据权利要求20所述的方法，其中通过烧结金属管提取所述第一级分还包括通过将真空施加到所述内部空间来辅助所述第一级分的提取。
全文摘要
本发明公开一种设备，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。本发明公开一种系统，包括至少一个所公开的设备。本发明还公开一种将进料气体分离为第一级分和第二级分的方法，其中所述第一级分的平均分子量比第二级分的平均分子量小。
文档编号B01D53/24GK102405089SQ201080017047
公开日2012年4月4日 申请日期2010年2月19日 优先权日2009年2月20日
发明者阿巴斯·哈桑, 阿齐兹·哈桑, 雷福德·G·安东尼 申请人:Hrd有限公司