用于高温吸附过程的加载吸着剂的纤维制造技术

一种在聚合物基质中包含吸着剂颗粒(50wt％)的复合纤维，所述聚合物基质包含聚合物或聚合物的共混物，所述聚合物包含至少一种热塑性聚合物，所述挤出物通过热诱导的相分离或扩散诱导的相分离由所述热塑性聚合物、任选的溶剂和所述吸着剂颗粒的纺丝悬浮液产生。所述聚合物或聚合物的共混物能够经得起暴露于220℃或更高的温度，而不经历对所述吸着剂颗粒的吸着容量的显著不利影响。所述纤维展现出至少5％的断裂伸长率。

Adsorber loaded fibers for high temperature adsorption

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】用于高温吸附过程的加载吸着剂的纤维
技术介绍

本专利技术涉及用于气体分离的结构化吸附剂。相关技术吸附剂典型地成形为小珠粒(直径1-5mm)并且在从用于隔热窗户的干燥剂到氢气纯化的无数应用中找到广泛用途。然而，当前的吸附剂系统包括许多缺点。传统的珠状吸附剂床的堆积密度受到珠粒的通常球形形状的限制。具体地，用相同直径的完美球体可实现的最大堆积密度为74％。实际上，在吸附剂珠粒床内存在直径分布。例如，最大直径与最小直径的比率可以为约2:1。另外，珠粒不一定是完美地球形的，这样使得经常实现仅高达65％的平均堆积密度。因为当前的珠状吸附剂典型地使用脆性的基于粘土的粘合剂，如膨润土，所以它们不耐摩擦或冲击并且因此易于粉化。鉴于目前的珠状吸附剂典型地不耐摩擦和冲击，标准做法是将通过平均珠粒所见的气体速度限制在流化速度的80％与90％之间的任何值，这样使得避免流化和粉化。因为气体速度受到限制，因此在生产和减压步骤期间气体的流速类似受到限制。如果流速受到限制，则吸附剂床可以减压和再加压的速度也受到限制。对于大型PSA系统而言尤其如此。因此，常规的珠状吸附剂床的通过量受到限制。磨损速度是常规吸附剂床的珠粒可经受而不展现出由于摩擦和冲击的磨损(即，粉化)的最大气体速度的指标。磨损速度与平均珠粒质量直接相关。随着珠粒质量增加，磨损速度增加。因此，增加珠状吸附剂床的通过量的一种方法是增加平均珠粒的质量，或者换句话说，增加珠粒的平均直径。然而，由于珠粒内气体传输的扩散限制，增加珠粒的质量或平均直径以较慢的动力学为代价。这是因为，随着珠粒的质量/直径增加，气体柱从珠粒的表面行进到珠粒内的可用吸附点的平均路径长度也将增加。为了减轻上述缺点中的一些，有人提出使用结构化的吸附剂床。不同于珠状床的离散结构，结构化的吸附剂床的概念是形成刚性和/或固定的吸附剂床或连续吸附剂结构，以便消除与流化有关的问题。通过这样做，可以通过减小吸附剂结构的特征尺寸来改善动力学。作为举例，与构造成2mm珠粒的相似质量的吸附剂相比，仅0.1mm厚的负载的吸附剂层可以具有更好的动力学。提出的一种类型的结构化的吸附剂床是通过将含吸附剂的层沉积到非吸收性基材(例如铝框架)上而形成的。如美国专利5,401,706中所述，可商购的干燥剂转轮是这种方法的主要实例。可替代地，US8,133,308提出了负载的吸着剂纤维。具体地，包括吸附剂和乙酸纤维素的基质的薄层沉积在非吸着性空心纤维的外径周围。尽管可以使用基材负载的吸附剂改善结构化的吸附剂床的动力学，但所述方法受制于若干缺点。第一个缺点是成本，因为涉及更多的制造步骤。第二个缺点是较低的有效吸附剂堆积密度，因为被载体/基材占据的空间没有显著参与吸附过程。可替代地，已经提出了由吸附剂/聚合物的混合基质制成的吸附剂，以便提高堆积密度。例如，US6,451,723披露了聚砜(PS)用于形成混合基质13X-PS吸附剂结构的用途。尽管对于床形成和处理的容易性以及对机械应力和热应力的耐性，聚合物粘结剂比脆性的基于粘土的(或类似的脆性粘合剂)更优选，但我们不知道任何基于热塑性聚合物粘结剂的吸附剂，这些吸附剂在需要高温活化和/或再生时完全令人满意。更具体地，许多常见的吸附剂可能需要远高于200℃的活化/再生温度。例如，5A和13X沸石以及活性氧化铝可能需要超过300℃的活化温度，基于锂的沸石可能需要超过400℃的活化温度，并且活性炭或碳分子筛(CMS)吸附剂可能需要超过甚至450℃的活化温度。为了达到针对目标气体的满吸附容量，如此高的活化温度可能是必要的。例如，考虑到空气分离单元(ASU)前端纯化单元中的变温吸附(TSA)系统，可以使用13X沸石吸附剂在H2O去除之后且在纯化后的空气流送至过程的低温部分之前从空气中去除CO2。为了从13X沸石上解吸H2O分子，首先在约300℃的温度下进行吸附剂的现场活化。随后，假定沸石随后没有被水分子污染，则较低的再生温度足以解吸CO2分子，如正常TSA操作的一部分。在TSA内的吸附剂寿命期间，可以现场进行约300℃的定期再生，例如在停机后或在早期CO2突破后。因此，为了利用聚合物粘合剂带来的所有益处，需要开发用于可忍受高温活化/再生的吸附剂-聚合物基质的新配制品。
技术实现思路
披露了一种柔性高温额定吸附纤维，其通过扩散驱动的相转化使用可溶性热塑性聚合物或可溶性热塑性聚合物的共混物产生，所述聚合物可经得起240℃或更高、优选250℃或更高、优选270℃或更高、优选300℃或更高、优选330℃或更高的重复数小时长(10hr+)的高温暴露。所述纤维包含至少50wt％的吸附剂。还披露了一种用于基于吸着剂的流体分离的复合纤维，所述复合纤维中的每一种都在聚合物基质中包含吸着剂颗粒，其中：所述聚合物基质包含聚合物粘合剂或聚合物粘合剂的共混物；所述聚合物粘合剂或聚合物粘合剂的共混物包含至少一种热塑性聚合物；所述聚合物粘合剂或聚合物粘合剂的共混物能够经得起暴露于220℃或更高的温度，而对所述吸着剂颗粒的吸着容量没有显著不利影响；所述纤维展现出至少5％(优选至少7％、更优选至少10％并且甚至更优选至少15％)的断裂伸长率；所述纤维是通过温度诱导的相分离(TIPS)或扩散诱导的相转化(DIPS)从包含所述热塑性聚合物的聚合物纺丝悬浮液(dopesuspension)生产的，所述热塑性聚合物在DIPS的情况下任选地溶解在溶剂中，并且所述吸着剂颗粒在DIPS的情况下悬浮在所述溶剂中或者在TIPS的情况下悬浮在热塑性聚合物-在呈熔融状态时-中；所述吸着剂是吸附剂或吸收剂；并且所述吸着剂颗粒以至少50wt％的浓度存在于所述挤出物中。还披露了一种用于活化以上披露的纤维中任一种的方法，所述方法包括将所述纤维加热至所述吸着剂的预定活化温度的步骤。还披露了一种用于基于吸附的流体分离的吸附剂床，所述吸附剂床包括通过以上披露的活化方法活化的一种或多种纤维。还披露了一种用于基于吸附的气体分离的方法，所述方法包括以下步骤：用一个或多个以上披露的吸附剂床分离至少包括第一种气体和第二种气体的进料气体以产生第一气体流和第二气体流，所述第一气体流与所述进料气体相比富含所述第一种气体，所述第二气体流与所述进料气体相比富含所述第二种气体，其中所述进料气体通过变压吸附、变压变温吸附(pressure-temperatureswingadsorption)、变温吸附、真空变化吸附(vacuumswingadsorption)、真空变压吸附(vacuum-pressureswingadsorption)或变电吸附(electroswingadsorption)经由所述一个或多个吸附剂床分离。任何一种或多种以上披露的纤维或方法可以包括以下方面中的一个或多个：所述聚合物粘合剂或聚合物粘合剂的共混物具有至少220℃的维卡软化温度或热挠曲温度。所述聚合物粘合剂或聚合物粘合剂的共混物具有至少240℃的维卡软化温度或热挠曲温度。所述聚合物粘合剂或聚合物粘合剂的本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种用于基于吸着剂的流体分离的复合纤维，所述复合纤维中的每一种都在聚合物基质中包含吸着剂颗粒，其中：/n所述聚合物基质包含聚合物粘合剂或聚合物粘合剂的共混物；/n所述聚合物粘合剂或聚合物粘合剂的共混物包含至少一种热塑性聚合物；/n所述聚合物粘合剂或聚合物粘合剂的共混物能够经得起暴露于220℃或更高的温度，而对所述吸着剂颗粒的吸着容量没有显著不利影响；/n所述纤维展现出至少5％(优选至少7％、更优选至少10％并且甚至更优选至少15％)的断裂伸长率；/n所述纤维是通过温度诱导的相分离(TIPS)或扩散诱导的相转化(DIPS)从包含所述热塑性聚合物的聚合物纺丝悬浮液生产的，所述热塑性聚合物在DIPS的情况下任选地溶解在溶剂中，并且所述吸着剂颗粒在DIPS的情况下悬浮在所述溶剂中或者在TIPS的情况下悬浮在热塑性聚合物-在呈熔融状态时-中；/n所述吸着剂是吸附剂或吸收剂；并且/n所述吸着剂颗粒以至少50wt％的浓度存在于所述挤出物中。/n

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】20170417 US 15/396,6441.一种用于基于吸着剂的流体分离的复合纤维，所述复合纤维中的每一种都在聚合物基质中包含吸着剂颗粒，其中：
所述聚合物基质包含聚合物粘合剂或聚合物粘合剂的共混物；
所述聚合物粘合剂或聚合物粘合剂的共混物包含至少一种热塑性聚合物；
所述聚合物粘合剂或聚合物粘合剂的共混物能够经得起暴露于220℃或更高的温度，而对所述吸着剂颗粒的吸着容量没有显著不利影响；
所述纤维展现出至少5％(优选至少7％、更优选至少10％并且甚至更优选至少15％)的断裂伸长率；
所述纤维是通过温度诱导的相分离(TIPS)或扩散诱导的相转化(DIPS)从包含所述热塑性聚合物的聚合物纺丝悬浮液生产的，所述热塑性聚合物在DIPS的情况下任选地溶解在溶剂中，并且所述吸着剂颗粒在DIPS的情况下悬浮在所述溶剂中或者在TIPS的情况下悬浮在热塑性聚合物-在呈熔融状态时-中；
所述吸着剂是吸附剂或吸收剂；并且
所述吸着剂颗粒以至少50wt％的浓度存在于所述挤出物中。


2.如权利要求1所述的纤维，其中，所述聚合物粘合剂或聚合物粘合剂的共混物具有至少220℃的维卡软化温度或热挠曲温度。


3.如权利要求1所述的纤维，其中，所述聚合物粘合剂或聚合物粘合剂的共混物具有至少240℃的维卡软化温度或热挠曲温度。


4.如权利要求1所述的纤维，其中，所述聚合物粘合剂或聚合物粘合剂的共混物具有至少250℃的维卡软化温度或热挠曲温度。


5.如权利要求1所述的纤维，其中，所述聚合物粘合剂或聚合物粘合剂的共混物具有至少270℃的维卡软化温度或热挠曲温度。


6.如权利要求1所述的纤维，其中，所述聚合物粘合剂或聚合物粘合剂的共混物具有至少300℃的维卡软化温度或热挠曲温度。


7.如权利要求1所述的纤维，其中，所述聚合物粘合剂或聚合物粘合剂的共混物具有至少330℃的维卡软化温度或热挠曲温度。


8.如权利要求1所述的纤维，其中，所述聚合物粘合剂或聚合物粘合剂的共混物具有至少360℃的维卡软化温度或热挠曲温度。


9.如权利要求1所述的纤维，其中，所述聚合物粘合剂或聚合物粘合剂的共混物具有至少400℃的维卡软化温度或热挠曲温度。


10.如权利要求1所述的纤维，其中，所述聚合物粘合剂或聚合物粘合剂的共混物具有至少220℃的玻璃化转变温度。


11.如权利要求1所述的纤维，其中，所述聚合物粘合剂或聚合物粘合剂的共混物具有至少240℃的玻璃化转变温度。


12.如权利要求1所述的纤维，其中，所述聚合物粘合剂或聚合物粘合剂的共混物具有至少250℃的玻璃化转变温度。


13.如权利要求1所述的纤维，其中，所述聚合物粘合剂或聚合物粘合剂的共混物具有至少260℃的玻璃化转变温度。


14.如权利要求1所述的纤维，其中，所述聚合物粘合剂或聚合物粘合剂的共混物具有至少270℃的玻璃化转变温度。


15.如权利要求1所述的纤维，其中，所述聚合物粘合剂或聚合物粘合剂的共混物具有至少300℃的玻璃化转变温度。


16.如权利要求1所述的纤维，其中，所述聚合物粘合剂或聚合物粘合剂的共混物具有至少330℃的玻璃化转变温度。


17.如权利要求1所述的纤维，其中，所述聚合物粘合剂或聚合物粘合剂的共混物具有至少360℃的玻璃化转变温度。


18.如权利要求1所述的纤维，其中，所述聚合物粘合剂或聚合物粘合剂的共混物具有至少400℃的玻璃化转变温度。


19.如权利要求1所述的纤维，其中，所述吸附剂选自由以下组成的组：沸石、活性炭、碳分子筛、活性氧化铝、硅胶、金属有机框架、和呈固体形式的胺。
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【专利技术属性】
技术研发人员：菲利普·A·夸涅，迪安·W·克拉策，苏希尔·S·库尔卡尼，小埃德加·S·桑德斯，
申请(专利权)人：乔治洛德方法研究和开发液化空气有限公司，液体空气先进技术美国有限责任公司，
类型：发明
国别省市：法国;FR