增速气体分离制造技术

本发明专利技术是基于以下认识：就是吸附材料的固有吸着速率对操作性能具有显著的影响。在一种优选的实施方案中，吸附处理使用了包含吸附剂的吸附区，所述吸附剂选自Ａ沸石、Ｙ沸石、ＮａＸ、混合阳离子Ｘ沸石、ＬｉＸ（ＳｉＯ↓［２］／Ａｌ↓［２］Ｏ↓［３］）比率小于３．０）、菱沸石、丝光沸石、斜发沸石、二氧化硅－氧化铝、二氧化硅、硅酸钛和它们的混合物，其中所述吸附剂具有ｋ↓［Ｎ２］≥１２ｓ↑［－１］的对氮气的传质系数和Ｄ↓［ｐ］＞３．５×１０↑［－６］ｍ↑［２］／ｓ（在１．５巴和３００Ｋ下测量）的对氮气的固有扩散系数。其它实施方案包括使用这种材料的操作参数和制备这种材料的方法的开发利用。（*该技术在2019年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及变压吸附(PSA)方法，特别是涉及制备高纯氧(例如纯度为90-95％(体积)的氧)的PSA方法。更具体地说，本专利技术涉及降低O2产品成本的同时提高吸附剂生产率。
技术介绍
在过去三十年、特别是近十年来用于空气分离的各种PSA、VSA和VPSA方法有了显著的发展。这些方法的工业化和生产范围的不断扩展主要归结于吸附剂和工艺流程的改善，而吸附器设计的进展则只有较小的贡献。如Chao在美国专利4859217中所述的高交换锂分子筛吸附剂是用于氧生产的先进吸附剂的代表。上述类型的先进的吸附剂是平衡性能改善的成果。提高操作效率和降低轻组分产物的成本可通过降低所需吸附剂的量和通过提高产品回收率来达到。前者一般通过以磅吸附剂(lbs)／TPDO(每天含氧吨数)为单位的床尺寸因子(bed size factor，BSF)表示，而后者则简单地为作为产品捕集的原料(即空气)中的轻组分(light component)(即氧气)的部分。吸附剂的改善和流程时间的减少是降低BSF的两个主要方法。虽然较短的流程导致可用较短的床以及更高的吸附剂利用率，但是除非增加吸附速率，否则产品回收率一般会因此受损。这种现象可较好地通过传质区(MTZ)的尺寸来表征，即随着吸附床深度降低传质区变成床的一个增加的部分。因为在MTZ中相应于重组分(heavycomponent)(如氮气)的吸附剂利用率比在平衡区低得多，所以生产能力随传质区部分的增加而降低。粒径对MTZ尺寸的影响在单个长吸附步骤(较低浓度的污染物由于其对吸附剂较高的平衡亲和性而从原料流中去除)中基本上是直接影响conceptuyally。当吸附物／吸附剂结合以一适合的等温线表征时，可预计以恒定速度移动通过吸附器的稳定态传质区。可在处理中辨明相互不同的平衡区和传质区。在这种条件下以及当传质阻力由颗粒间微孔扩散支配时，人们早已认识到降低吸附剂粒径产生较高的吸附速率和较小的传质区。遗憾的是，在吸附床上的压降随粒径的降低而上升并且导致难以在床上保留颗粒以及增加流化的倾向。当等温线不适合和／或传质区在整个吸附步骤中不断发展或扩展时，这种理想状况被破坏。加入产生完整的吸附处理流程所需的其余最起码的减压、解吸和加压步骤进一步使传质区的行为和特征变得复杂。然而，MTZ的理想概念已经作为改善操作性能的基础应用于先有技术中。Jain(美国专利5232474)公开了通过降低吸附剂体积和／或增加产品纯度来改善吸附剂利用率，其中描述了在低温空气分离前使用变压吸附(PSA)方法除去H2O和CO2。吸附器完全由氧化铝构成或者由氧化铝层和13X分子筛吸附剂层构成。使用了较小的颗粒(0．4到1．8mm)来获得较小的床体积。Umekawa(日本专利申请59004415)公开了通过使用深层的大颗粒(3．2 mm)接着浅层的小颗粒(1．6 mm)的相同吸附剂而使空气纯化吸附器达到较低的压降和较小的尺寸。这种分层结构的床的尺寸和压降比所有均用3．2 mm或1．6 mm颗粒构造的床低。在分层结构中1．6mm颗粒只占传质区的一小部分(低浓度部分)。Miller(美国专利4964888)建议在平衡区使用较大颗粒(＞14目或1．41mm)并且在传质区使用较小颗粒(＜14目)。这降低了传质区的尺寸，同时降低了在两个区均用小颗粒时会出现的过度压降升高。还指出了大于30s的循环吸附处理时间。Garrett(英国专利申请GB2300577)公开了一种吸附装置，其包含布置在不同层或者按粒径梯度布置的粒径范围在6目(3．36mm)到12目(1．68mm)之间的颗粒，两种结构中均是将最大的颗粒位于进料口近处以及将最小的颗粒置于下游接近吸附器出口处。对于以快速循环和高的比压降为特征的称为快速变压吸附(RPSA)的特定类型的方法的来说，需要用非常小的吸附剂颗粒(0．1到0．8mm)。常规的RPSA方法具有非常短的在高进料速度下进行的进料步骤(通常少于1．0秒)，并且包括在进料步骤后的流动悬浮步骤，并通常具有低于20秒(常低于10秒)的总循环时间。吸附步骤的行为远偏离于上述理想化的MTZ概念。事实上，在RPSA中床的工作部分主要为传质区，只带一个较小的平衡区(与进料条件平衡)。吸附器的主要部分与产物处于平衡状态并且提供了产物存贮的功能。高压降(在12psi／英尺的幅度)／短循环组合对于在连续操作产生产物的床建立最佳渗透性和内部清洗是必需的。使用5A分子筛的RPSA空气分离方法已由Jones等人(美国专利4194892)(单床)和Earls等人(美国专利4194891)(多床)进行了说明。Jones也提出使用各种吸附剂用RPSA进行C2H4／N2、H2／CH4、H2／CO和H2／CO／CO2／CH4的分离。RPSA系统一般在机理上比常规PSA系统更简单，但是常规的PSA方法一般具有更低的功率、更好的床利用率和更高的产品回收率。一定程度上从原RPSA方法出发，Sircar(美国专利5071449)公开了一种与包含在单个圆筒形容器中的吸附剂层的分段结构相联系的方法。排布一对或多对吸附剂层而使给定对的每层的产物端相互面对面。所述配对的两个独立层在循环中相互存在相位差。其目的是为了将一部分来自一层的产物用于冲洗对面层-冲洗比率由置于层间的物理阻塞物控制和／或通过在层两端的总压降(范围为200psig到3psig)控制。该方法具有宽的技术指标粒径范围为0．2到1．0mm，总循环时间为6到60秒，吸附剂层深度为6到48英寸，原料流量为1到100 lbmoles／hr／ft2。建议使用任选的双峰粒径分布以降低颗粒间孔隙体积。该方法声称可用于空气分离、干燥和H2／CH4、H2／CO和H2／CO／CO2／CH4分离。Alpay等人(Chem．Eng．Sci．，1994)研究了在使用几种不同粒径(0．15-0．71mm)的5A分子筛的RPSA空气分离中进料压力、循环时间、进料步骤时间／循环时间比值和产物输送速度的影响。他的研究表明吸附剂颗粒太小或太大时操作性能均受到了限制。这是由于在粒径范围下端无效变压、低的渗透性和高传质阻力(由于轴向分散)的限制，而在颗粒分布谱的高端由于颗粒的尺寸的关系高传质阻力成为限定因子。Alpay发现最大分离效力(最大的O2纯度和吸附剂生产率)在0．2到0．4mm的粒径范围。RPSA显然是一种特殊类型的吸附方法。与常规PSA相比RPSA最显著的特征可参照空气分离制备O2的情况来加以说明。每单位床长度RPSA的压降大一个数量级或者更大，其吸附剂的粒径通常低于0．5 mm。RPSA总循环时间通常更短并且处理步骤不同。在这些相应的特征中，主要差异在于压降和粒径。其它专利提出了在常规PSA方法中使用小颗粒。Armond等人(英国专利申请GB2091121)公开了一种用于空气分离的超计大气压PSA方法，其中结合了短循环时间(＜45s)与小颗粒(0．4-3．0mm)来降低处理功率和吸附床的尺寸。在优选的15到30秒的循环时间和0．5到1．2mm的粒径下生产90％纯度的氧气。Hirooka等人(美国专利5122164)描述了用于分离空气生产O2的6步、8步和10步VPSA方法。虽然该专利的要点是用以改善收率和生产率的循环结构和各种循环步骤的本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种从包括氮气和较弱选择性可吸附的组分的气体混合物分离氮气的方法，包括：将所述气体混合物在吸附区中与吸附剂接触并且在所述吸附剂上吸附所述氮气，该吸附剂对氮气的平衡选择性优于所述较弱选择性吸附组分其中所述吸附区包括选自Ａ沸石、Ｙ沸石、ＮａＸ、混合阳离子Ｘ沸石、ＬｉＸ、菱沸石、丝光沸石、斜发沸石、二氧化硅－氧化铝、氧化铝、二氧化硅、硅酸钛和它们的混合物的吸附剂，其中所述吸附剂具有对氮气的ｋ↓［Ｎ２］≥１２ｓ↑［－１］的传质系数（ＭＴＣ）和在１．５巴和３００Ｋ下测量时，对氮气的Ｄ↓［ｐ］＞３．５×１０↑［－６］ｍ↑［２］／ｓ的固有扩散系数。

【技术特征摘要】
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【专利技术属性】
技术研发人员：MW阿克利，FW勒维特，
申请(专利权)人：普莱克斯技术有限公司，
类型：发明
国别省市：US[美国]