发明内容

因此，本发明的目的是提供用于气体分离过程特别是用于DAC过程的改进结构，所述改进结构具有尽可能很小/较少的组件、易于操作、允许有效的气体分离过程，并且其在长期使用期间高度可靠。

因此，本发明提出了如所要求保护的分离单元以及分离单元的布置，和操作这样的分离单元或这样的分离单元的布置的方法，以及这些元件特别是用于DAC过程的用途。

更具体地，本发明提出了这样的分离单元，所述分离单元用于将至少一种气态组分从包含该组分的气体混合物中分离，优选地适合并适于从环境空气中分离二氧化碳和/或水蒸气。

所提出的分离单元包括至少一个连续且密封的周向壁元件，所述至少一个连续且密封的周向壁元件周向地包围至少一个腔并且限定该至少一个腔的上游开口和相反的下游开口。所述装置被构建成使得处于吸附阶段中的气体混合物穿过上游开口，然后横向地穿过腔的内部并穿过或经过位于腔中的气体吸附结构，然后通过穿过下游开口再次离开，整个空气流除了在气体吸附结构中或气体吸附结构处的湍流和偏转之外优选基本上为线性的。

至少一个腔可以优选地为矩形或正方形截面，在这种情况下，提供四个连续且密封的周向壁元件的组：下壁元件、相反的上壁元件和两个相反的侧向周向壁元件，所述两个相反的侧向周向壁元件接合上壁元件和下壁元件的对应端并且周向地包围腔。所述四个连续且密封的周向壁元件的组限定腔的上游开口和相反的下游开口。

在阵列中的分离单元的相邻腔的情况下，相邻腔的相邻壁可以由对相邻腔共用的壁元件形成。

当限定下壁元件和相反的上壁元件时，这并不意味着相应的腔必须以水平流通方向取向。其也可以与水平方向成一定角度取向，或者流通方向也可以是垂直的。沿着沿通过腔的主要流通方向的观察方向的下壁元件和相反的上壁元件通常被理解为接合两个侧向周向壁元件的两个壁元件。

至少一个腔也可以为多边形截面，例如其可以包括八个连续且密封的周向壁元件的组：至少一个下壁元件、至少一个相反的上壁元件和至少两个相反的侧向周向壁元件，所述至少两个相反的侧向周向壁元件直接地或经由倾斜的另外壁元件接合上壁元件和下壁元件的对应端，优选地在这种情况下形成六边形结构，并且周向地包围腔，所述八个连续且密封的周向壁元件的组限定腔的上游开口和相反的下游开口。

所提出的原理可以应用于任何多边形或圆形流通截面形状，所述截面形状由形成相应腔的基本上圆柱形的连续且密封的周向壁元件或壁元件的组限定。可能是例如三角形、矩形、方形、五边形、六边形、八边形截面形状。

圆形结构也是可能的。在这种情况下，至少一个腔包括一个单一的圆形或椭圆形周向壁元件。

所述至少一个腔包括或者至少允许包括用于吸附所述至少一种气态组分优选地在环境压力和/或温度条件下吸附所述至少一种气态组分的至少一种气体吸附结构。如果分离单元包括多于一个腔，例如呈阵列的腔，则每个腔包括或者可以包括这种类型的至少一个单独的气体吸附结构。

根据本发明，分离单元包括一对相反的滑动门，所述一对相反的滑动门用于在至少一个腔的关闭状态下分别密封所述至少一个腔的上游开口和下游开口。如果仅存在一个腔，则一对相反的滑动门密封该腔。如果提供了多于一个腔，则一对相反的滑动门还可以同时一次密封这些腔中的多于一者(但不一定是全部)。

通常，一对相反的滑动门被安装成使得根据操作状态同步打开和关闭腔。

在多于一个腔为分离单元的一部分的情况下，例如在腔的阵列的情况下，所述一对相反的滑动门被优选安装成交替地仅一次关闭一个腔，然后被移动至下一个腔，依此类推，优选地以如下将进一步详述的循环方式。在这样的阵列中，所述一对相反的滑动门也可以被安装成允许其中没有腔被密封的位置，并且优选地，所有腔都可用于流通或不需要通过所述一对相反的滑动门来密封的其他功能，如下将进一步所详述的。

为了打开至少一个腔，所述一对相反的滑动门可以在基本上平行于相应滑动门的平面的方向上移动以分别露出上游开口和下游开口，并且允许气体混合物经相应腔和位于其中的气体吸附结构流过。为了放开对应的密封机构，门的滑动运动可以涉及其中除滑动之外或伴随滑动而门被抬离对应开口的阶段。

这样的滑动密封门机构是从其他应用中已知的，然而不是从气体分离过程领域中已知的，并且从来没有用于这种特定的设置：其中提供了不是一个而是一对相反的平行滑动门充当用于具有上游开口和下游开口的腔的密封门。事实上，从这些其他领域和应用中已知密封机构的门，例如在US2015/0157030、GB-A-2420711和KR-A-20110095014中，其中在每种情况下，单个滑动门可以替代地隔离并提供至真空腔的通道，并且在打开状态下提供完全无阻碍的截面。然而，这些系统不是被设计用于使气流横向地穿过真空腔，并且相应地缺少第二个这样的门和驱动气流的装置。

特别地，所提出的分离单元允许提供如下将进一步描述的腔的阵列，其中一对滑动门用于交替地关闭和打开包括吸附结构的相邻腔，并且允许相邻腔的循环操作。适当数量的腔可以以这样的阵列尤其是根据吸附与解吸之间的时间分布组合。如果例如两阶段之间的比率为2:1，则安装呈包括三个腔的阵列和一对相反的滑动门的分离单元的形式的结构以便交替地关闭阵列中的腔之一用于解吸步骤，同时使阵列中的另外两个腔经受空气和/或气体混合物的横向流通和吸附过程。

在本发明的另一个实施方案中，滑动门可以移动至包括吸附器结构的腔的阵列之外的位置。在这样的“中间”位置的情况下，将吸附-解吸过程的时间分布与腔和阵列的几何结构布置分开，由于如果不需要关闭腔，则门可以被布置在该位置，因此允许任何解吸和吸附时间。在对阵列内的吸附结构进行调试、维护或其他工作时，将该“中间”位置放置于这样的腔的阵列的底部或侧面将进一步为待保持的门提供安全位置。

因此，在腔的阵列的情况下，这对滑动门可以被定位成与腔的阵列相邻或者在腔之间的槽中，以这样的方式以便不密封任何腔，并且所有腔都对气体混合物的通过流过开放，随后滑动门可以移动至已暴露于气体混合物吸附持续最长时间段的腔，以密封下一个腔，然后该腔暴露于以便根据需要解吸和提取需要解吸的气态组分的条件，或者使滑动门保持在相邻位置处，以允许对整个结构或腔的阵列进行调试、维护或其他工作。

优选地，分离单元允许将腔抽空至小于700毫巴(abs)或小于500毫巴(abs)的压力，优选地抽空至小于300毫巴(abs)的压力或者抽空至小于150毫巴(abs)或至多100毫巴(abs)的压力，然后是真空腔。优选地，处于关闭状态的分离单元使腔被抽空至500毫巴(abs)至10毫巴(abs)范围内的压力。

更优选地，分离单元使腔暴露于最高至+0.1巴(g)或者最高至+0.2巴(g)或+0.5巴(g)的过压(通常相对于1.01325巴的正常外部压力)。

根据所提出的分离单元的一个优选实施方案，至少一个腔的上壁元件和下壁元件彼此平行布置，侧向壁元件彼此平行布置，并且优选地，所述一对相反的滑动门也彼此平行布置。

分离单元还可以包括：在包括吸附结构的至少一个腔的上游开口处或者在包括吸附结构的多个腔中的多于一个腔的情况下的进气室，上游滑动门位于所述进气室中；和在下游开口处的出气室，下游滑动门位于所述出气室处。

优选地，在包括吸附结构的多于一个腔的情况下，进气室和/或出气室对所有腔都是共用的。

优选地，进气室的上游或形成进气室的入口提供一个或一组优选可移动的百叶窗和/或至少一个气体或空气推进装置，以及/或者出气室的下游或形成出气室的出口优选在出口歧管中安装至少一个气体或空气推进装置，优选为风扇的形式，和/或提供一组优选可移动的百叶窗。

一个或两个滑动门可以安装在一对上下导轨上，或者可以安装在单元的相对侧面处的一对导轨上。导轨可以为C导轨。

优选地，门利用辊在这些导轨中或这些导轨上行进，并且其中进一步优选地提供可以将相应的门压至在闭合特别是以产生密封件为目的的位置处的相应开口的对应轴向面并且使门与该密封位置再次隔开以允许门滑动来放开相应的开口的装置，并且其中此外门在其上行进的上下导轨(或者在门上下移动的情况下的侧向导轨)可以延伸超出阵列尺寸以使门进入至上述中间位置。

滑动门和/或相应的腔开口可以设置有至少一个周向密封元件，优选地呈至少一个密封环的形式和/或呈密封涂层的形式。

允许相应的门被压至相应的轴向面并且允许放开相应的开口以使门再次隔开的装置可以例如通过以可轴向移动的方式优选地通过气动驱动的方式安装在框架或周向壁上的一对上下导轨来提供。

优选地，所述一对滑动门各自或共同由带例如安装在一对皮带轮上的带驱动。

周向壁的轴向长度(即在至少一个腔的流通方向上的壁的长度)优选小于相反的周向壁元件的最小距离。

周向壁可以包围矩形或正方形截面，并且所述一对滑动门相应地为矩形或正方形。

所述一对门的滑动驱动可以构建成使门(仅)同步成对地平行移动。

分离单元还可以在至少一个或优选所有腔处或者至少一个或优选所有腔中包括至少一个稳定元件，优选呈至少一个稳定支柱的形式，以确保结构足够坚固以承受真空或过压条件(如有需要的话)。出于相同的目的，至少一个滑动门优选两个滑动门可以包括稳定元件，优选呈肋的形式，优选在相对于腔的外侧上。

如上所指出的，根据本发明的一个特别优选的其他方面，涉及分离单元，所述分离单元不仅具有一个腔而且具有多于一个腔，优选具有腔的阵列，即包括至少两个，优选地至少三个，或者至少四个或者在2至8个或2至6个范围内的腔，周向壁元件包围腔的并且所述腔各自容纳有相应的气体吸附结构。通常，然后，所述一对相反的滑动门被安装成允许交替密封分离单元的一个腔以及顺序地密封另一个腔。优选地，所述一对相反的滑动门以这样的阵列安装成允许其中没有腔被密封的位置，并且优选地，所有腔都可用于流通或不需要由所述一对相反的滑动门密封的其他功能。

在这样的阵列中的腔可以具有如上所详述的腔结构中的任一者，即可以具有为矩形、三角形、正方形、六边形、八边形或圆形的截面形状，并且优选地，分离单元的所有腔具有相同的截面形状和尺寸以允许用同一对相反的密封门交替密封它们中的每一者。

相对于现有技术，这种解决方案的一个益处是一对相反的可移动密封门的基础设施可以用于许多腔，从而允许成本节省并改善针对多个门或盖的可靠性。此外，与将气体分离结构移入和移出再生室的现有技术发明相比，移动元件的复杂性和灵敏度低得多，从而降低了风险。更进一步地，在利用变温的再生方法中，门在再生腔之间移动时保持为热的，从而降低了再生的有效热质量，并因此降低了能量需求。针对应用于变压和变温过程的现有技术的装置，本发明的另一个出乎意料的益处是每单位封闭容积的结构腔材料的量，其由于共用分离壁、共用门和相互稳定的周向壁而在本发明中显著低于任何现有技术装置，并且在变温过程中导致显著的成本、复杂性和能量节省。最后，与现有技术的流通应用相比，本发明的明显益处是腔的完整截面可用作流通面积而没有对挡板、盖、阀或其他流动限制共有的阻碍。相应地，给定一个可允许的压降“预算”，该完整值可以应用于保持在气流必须穿过的腔中的气体吸附结构，从而导致较高体积的气体流量以及在气体分离应用中较高的相关物质的吸收率。

在这样的阵列中，阵列的腔可以以一个或更多个排彼此相邻布置，并且相邻腔的周向壁元件可以由共用的分离壁形成。优选地，阵列的腔被布置在一个单一的水平或垂直排中并且彼此直接相邻。

这样的腔的阵列优选附接至或包括仅一个共用抽空单元、和/或仅一个共用加热单元、和/或仅一个用于气态组分的共用收集单元、和/或仅一个在门的上游侧和/或下游侧处的共用驱动器、和/或仅一组在上游侧处的百叶窗，在每种情况下对于所有腔都共用，而优选地对于每个腔，在上游侧和/或下游侧处提供单独可控的空气推进装置。

通常，这样的腔的阵列包括形成所有腔的周向壁元件的一个单一的框架。

如上所指出的，根据本发明的一个特别优选的方面，涉及两个如上所详述的分离单元的布置，其中两个分离单元以V取向布置，相应的上游开口面向下或面向斜向下/侧向方向以及相应的下游开口面向上或面向斜向上/侧向方向，并且彼此以倾斜方式面对，并且至少一个或一对气体或空气推进装置优选被布置成推进气体混合物在垂直向上方向上行进通过分离单元。

分离单元可以因此在向下方向上取向，其中面法线取向在向下30°至60°之间，任选地，相邻分离单元以水平镜像的方式彼此毗邻。由此，特别地，气体分离结构被保护免受沉淀物和落下的大气杂质(树叶、雪等)的影响。此外，在成角度的取向上，由轴向深度和最大包络尺寸的高度形成的对角线可以最好用于最大可能的流通截面。

此外，本发明涉及操作如上所详述的分离单元或布置的方法，其中所述一对滑动门被定位成密封阵列中的一个腔或者定位在阵列外部的中间位置中，而阵列中的其他的多个腔对气体混合物的横向流通是开放的，密封腔暴露于以便解吸和提取气态组分的条件，而其他的多个腔由空气推进装置驱动以从穿过的气体混合物中吸附气态组分，并且一旦密封腔中的解吸终止，所述一对滑动门就移动至下一个腔，优选在该时刻已暴露于气体混合物吸附持续最长时间段的阵列中的下一个腔，以密封该下一个腔，然后该下一个腔暴露于以便解吸和提取气态组分的条件，而其他的多个腔由空气推进装置驱动以从气体混合物中吸附气态组分，其中优选地，使步骤的顺序类似地继续以顺序地密封和提取阵列中的所有腔并且循环地重复等于阵列中的腔的数量的吸附和解吸步骤的顺序至少一次，优选地至少100次、或者至少500次或1000次。

最后但并非最不重要的是，本发明涉及如上所详述的分离单元或布置、或者根据前述段落所述的方法用于从环境空气中分离二氧化碳和/或水蒸气的用途。

因此，本发明的目的优选为提供基于通过流通单元的DAC系统，所述流通单元提供最大可能的无阻碍流通面积，对于气体分离过程可单独密封，具有低可能的热质量，并且能够有效地以重复单元分组。

因此，提出了用于气体分离的分离单元，所述分离单元包围至少一个并且优选地复数个被指定为腔的封闭空间，所述腔通过分离壁彼此分离并且进一步被横向周向壁包围，还具有至少一对轴向门，其中每对门中的一个门分别在单元的气体入口面和气体出口面上，其中所述门可以在腔之间成对并横向地移动，密封由其包围的空间并使气体穿过其未被隔离的腔，此外，其中腔内的空间可以被气体吸附结构占据，气流穿过所述气体吸附结构以吸附待分离的组分。对于单个腔的情况，分离单元和腔基本上形成装置。

对于分离单元允许将腔抽空至低于大气压的压力的情况，这旨在意指如果所述结构处于环境大气压(约1个大气压，即约101325kPa)的环境中，则其能够承受低于1000毫巴(abs)压力的内部压力，优选能够承受700毫巴(abs)、或500毫巴(abs)或100毫巴(abs)，或者更优选地小于10毫巴(abs)的内部压力。因此，提供所述结构以能够承受例如如在5毫巴(abs)至350毫巴(abs)或5毫巴(abs)至200毫巴(abs)的范围内的压力或者甚至比其更低例如10毫巴(abs)或5毫巴(abs)的压力。因此所述结构优选通常能够承受在-0.3巴(g)或-0.5巴(g)，优选地-0.95巴(g)、或-0.99巴(g)、或者甚至-0.9999巴(g)、如此接近于或甚至约-1巴(g)的范围内的外部空间和内部空间之间的负压差以及最高至+0.1巴(g)或最高至+0.5巴(g)的过压差。

在以上描述中，轴向意指气体流过分离单元的整体方向，其可以是引导通过分离单元的深度方向的任何方向，包括从单元的底部至顶部或者同样从顶部至底部以及所有其他变体，与流体在单元中是否局部地改变方向无关，横向意指基本上垂直于通过分离单元和腔的气体的整体流，与局部流动方向偏差无关，并因此可以意指基本上水平或垂直、或者实际上介于二者之间的任何方向。此外，在以上描述中，气体分离应理解为从气态混合物中分离可混溶的气态物质，并因此包括气态流，例如空气、烟道气、生物气或地热气或者实际上任何气态混合物。

可移动门可以具有(宽度、高度和厚度)0.6m×0.6m×0.05m，最高至12m×3.8m×0.3m，优选地2m×2m×0.14m的特征尺寸，并且作为形成腔的周向壁，可以由金属(特别是铝、铁、钢、不锈钢、碳钢)、复合材料、陶瓷或塑料、或其组合制成。

同样地，在腔不是通过移动门密封来避免气流的情况下，即腔对气流开放时，其特征在于特征尺寸为0.55m×0.55m直至11.75m×3.8m的流通截面，并且具有这样的深度-腔的轴向延伸：0.1m至1.8m，优选为0.2m至1.2m。总体而言，包括门的分离单元的包络尺寸实质上可能受ISO 668标准高顶船用集装箱的包络尺寸的限制，从而能够实现标准化、成本有效的运输。本领域技术人员应理解，这样的分离单元可以通过将多个分离单元放置在一起并将其作为一个设备来操作以组合形成更大的系统。

移动门和腔的截面可以为圆形、六边形或矩形，并且任选地，门可以具有增强肋以防止在压力载荷下过度变形，其中这样的肋可以具有50mm至500mm的间距和2mm至20mm的肋厚度。

特别地，在矩形门和腔的情况下，分离单元的入口和出口处的轴向面的平面可以用交叉的拉伸支柱例如但不限于横跨流通面积的线缆、链条、杆或板条来增强并且被固定至承载结构-腔的周向壁和分离壁-其中与完整的腔截面相比，该特征件的横向流减少为腔流通面积的小于10％，优选地小于1％。以这种方式，公知桁架结构，可以防止分离单元在压力载荷或由其自身重量引起的载荷下的横向倾斜。在该相同方面的另一个优选实施方案中，气体分离结构可以沿其周向壁和分离壁固定至腔，腔的内周边进一步任选地具有非承载金属丝或塑料网或者具有0.5mm至10mm范围内的孔隙的基本上可透气的材料。以这种方式，由于对于稳定结构不必预见更大的深度，因此倾斜载荷可以由气体分离结构承载而不需要另外的稳定结构，从而防止整个分离单元的变形，同时允许气体分离结构在腔中的更大深度。

门可以通过不同类型的驱动系统在横向方向上成对地移动，所述不同类型的驱动系统包括但不限于具有步进电机或其他电机的带、齿轮或者绞盘，其中门的位置被控制成停止在待隔离的腔处。

入口面可以设置有气体送气室，所述气体送气室具有分离单元的特征尺寸的尺寸和仅略大于可移动门的深度的深度，并且特征在于从入口气流的一侧沿分离单元或阵列的整个横向长度延伸的一组成角度板(百叶窗)，其中主平面从水平位置向下成30°至60°的角度或者从水平位置至完全垂直位置任选地可调节。以这种方式，百叶窗可以有效地关闭分离单元的气体入口。

用于推动气体(优选大气空气)的运动的风扇可以被放置在气体送气室的轴向壁中，优选在分离单元的气体出口侧上，其中送气室截面的最小流通面积为非隔离腔的流动截面的最小20％，优选最小50％，并且所述送气室对气流是气密的，但是对大于1000Pa的压差不是气密的，其中气流不发生进一步分离，以及其中所述送气室可以由诸如金属、塑料、复合材料或陶瓷的材料制成，并且可以任选地内部增强以抵抗诸如雪、冰、雨、风等的外部载荷。

一个或两个可移动门可以设置有接触环，所述接触环包围具有与腔相同的形状但具有仅略大于腔的尺寸的特征尺寸的形状，并且在隔离状态下将所述环在轴向方向上与分离单元的轴向面接触。所述接触环可以在其轴向表面上设置有全周长弹性密封元件例如O形环、边缘轮廓上的轮廓密封件、经粘合剂固定的密封型材或任何常见的密封型材。弹性密封元件的芯径为2mm至25mm，优选在3mm至15mm的范围内。此外，门的与腔的轴向面轴向相反的轴向面的全部或部分可以涂覆有弹性材料。该优选实施方案的优点为不必制造明确的密封结构(即O形槽)，这允许成本节省。该优选实施方案的另一个优点是由这样的涂层提供的热绝缘，从而在变温吸附/解吸循环中减少门的有效热质量。

可以在可移动门上预见至少一个用于在轴向腔壁上建立可移动门的密封的驱动器，并且与分离单元上的掣子、杠杆或导轨接合，从而将门轴向地朝向分离单元的向外轴向壁平移，从而影响气密密封。优选地，这些装置可以包括但不限于气动或液压驱动器或螺线管，其中优选地，可以通过任何普通的真空系统从每个腔中抽空气体以实现小于1000毫巴(abs)、优选地小于200毫巴(abs)的压力，其中在装置的另一个优选实施方案中，真空系统的初始快速应用可以提供足够的吸力以实现初始密封并能够进一步抽空。

分离单元可以包括另外的入口/出口元件，所述另外的入口/出口元件用于附接至少一个真空泵和/或用于从腔中提取气体和/或液体和/或用于将另外的过程介质特别是水和/或蒸汽引入到由门隔离的分离单元的腔中，其中优选地，可以将每个具有DN40-DN500的尺寸的腔的两个入口/出口元件固定在分离单元的周向水平壁上，此外，其中任选地，将所述入口/出口元件进一步连接至在单个分离单元的整个长度上延伸的集管，从而连接所述分离单元中的所有腔。

在另一些实施方案中，在单个分离单元的整个长度上延伸的集管由第一上下周向水平壁与包围两个周向壁之间的所述空间的第二周向水平壁形成，在第一周向壁中具有更多开口以产生至各个腔的通道。

因此，根据又一个优选实施方案，形成上述连续且密封的周向壁的壁元件或其部分中的至少一者或优选地至少两者是双壁的，使得两个壁之间的间隙可以用作用于从腔中引入或提取介质的入口/出口元件。优选地，在矩形周向壁结构的情况下，上壁元件和/或下壁元件或者优选二者均被构造为双壁结构，两个壁之间的间隙可用于该功能。这样的优点是：相邻腔的双壁上壁元件之间的间隙和相邻腔的双壁下壁元件之间的间隙可以相互连接以便在腔的上部和/或下部空间上具有一个单个导管。

如上所概述的分离单元的用途可以用于直接二氧化碳捕获过程，所述直接二氧化碳捕获过程涉及在环境大气温度和压力下吸附二氧化碳与在低于环境大气压的降低的压力下优选在至多1200毫巴(abs)的压力水平下以及在60℃至130℃优选80℃至120℃的升高的吸附剂材料温度下解吸二氧化碳之间的循环。

本发明的另一些实施方案在从属权利要求书中规定。