使用吸附剂混合物的PSA设备和方法技术

本发明专利技术包括一台用于从进料物流的一种轻组分中分离出一种重组分的ＰＳＡ设备。该设备包括一台装有一种包含两种或多种吸附剂的混合物或复合吸附剂的吸附剂床，其中吸附剂的至少一种比较弱，而另一种则比较强。本发明专利技术的另一种实施方案是一台有一个吸附剂床的ＰＳＡ预净化器，该吸附剂床装有一种至少有两种吸附剂的混合物，或复合吸附剂，所说吸附剂的至少一种比较强，而它们的至少另一种则比较弱。（*该技术在2019年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】一般地说本专利技术涉及大量气体的变压吸附(PSA)(包括VSA和VPSA)分离和净化方法及系统。更具体地说它涉及吸附剂混合物和复合吸附剂材料的使用。本专利技术还披露了用于PSA空气预净化的分层填充的混合物或复合吸附剂床的实施方案。对于各种压力和纯度的相对较纯的氧气(即氧含量为88％或更高的含氧气体)有许多工业和医疗上的需求。地球上通常含有近21％氧气的大气是作为氧气的一个经济来源的天然选择物。因此许多最切实可行和经济的氧气生产厂都采用空气分离系统和方法。一种大规模生产氧气的比较通用的系统采用低温工艺，从空气混合物中液化和分离出所需的有预定纯度的氧气组分。虽然这种设计对于大规模氧气生产来说很适用，但是对于中小规模生产，例如日产约30-200吨氧含量高于大约88％，甚至高达大约95％的含氧气体来说，专门的制冷硬件和相关的高基建试车费用使这种系统的费用过高。传统上较大批量的氧气是通过人们熟知的空气低温精馏方法生产的，这种方法将空气冷却到接近其各种组分标准沸点的温度，并在分馏塔中进行处理。只有当需要很大数量和/或极高纯度(例如97％-99.999％)时，低温分离系统巨大的基建投资和操作费用才被认为是合理的。作为低温方法的一种替代方法，本领域的技术人员已经开发出一种空气分离系统，它使用一种分子筛吸附剂，有效地生产纯度一般在大约88-93％范围中，甚至高达大约95％的氧气。当使用在PSA和VPSA系统中时由于N2有着比O2更大的四极矩，这种吸附剂能更有选择性地吸附N2，从而实现组分的分离。绝热的变压过程通常伴随有一个温度周期变化或反向温度变动过程，即在一个比解吸步骤高的温度下发生吸附步骤。这种温度变动往往会随被吸附物/吸附剂的吸附热的提高而增加，并可能随吸附与解吸的压力比而增加。此外还会在床内形成温度梯度。这种床温的梯度和变动会使吸附剂床的各个部分在不同温度下运转。温度梯度和变动的净效果是使整体的工艺性能较低。在操作条件变化，例如正常的环境温度波动时，吸附剂随温度而剧烈变化的性质还可能造成过程的不稳定性。吸附剂常常是方法有效性的关键。人们已将更多的关注放到了吸附剂的开发，改进和制造上，例如通过离子交换，较低的Si/Al结构和改进的活化方法已合成出专门的沸石吸附剂。采用这些额外的和/或改进的制造步骤使这些专门吸附剂比标准吸附剂的成本更高，例如在空分中LiX与5A和13X吸附剂相比就是这种情况。在许多工艺中吸附剂已成为整个基本投资的重要份额。于是就激励人们设法降低吸附剂的成本，以使吸附剂成本的降低能转化为所需分离产品成本的降低。现有技术已试图在某些情况下使用吸附剂混合物，以解决PSA过程中温度周期变化的问题。除对温度周期变化的影响外，还用混合吸附剂来改善吸附工艺性能的一些特殊方面，例如产品纯度，或回收或存储容量。已经将性质不同的原料用机械方法混装到一个吸附器中(共混物)，或是将它们整体地结合到单个复合物颗粒或切片中。在要求多重分离时，也使用了吸附剂混合物。Jones等(美国专利4,194,892)提供了一个净化蒸汽转化氢气的实例，它包括用一种快速变压吸附(RPSA)方法去除二氧化碳，甲烷和一氧化碳。结果说明用活性炭和结晶分子筛的均匀混合物代替单独使用活性炭时，产品H2的回收率得到了提高。已采用粗细颗粒的混合物来降低粒间空隙，提高吸附剂密度和气体储存容量。Kaplan等(欧洲专利申请0325392)提供了一种在用碳分子筛(CMS)吸附剂于动态空气分离生产N2的PSA系统中使用这种方法的实例。在Kaplan的方法中，CMS主吸附剂由粗颗粒(2.5-3.0mm)构成，而这些大颗粒间的空隙则被惰性材料或CMS吸附剂的细颗粒(40-60目)所填充。这部分细颗粒最好是一种惰性或非吸附性材料(例如玻璃珠)，并占吸附器床容积的大约40％。结果显示空隙的降低改善了过程的效率。Fuderer(美国专利4,499,208)将惰性密实的氧化铝掺入活性炭中，在高压下从包含H2，CO2，CO和CH4的进料物流中吸附CO2时取得使温度周期变化降低的效果。虽然氧化铝的比热和活性炭几乎相同，但这种惰性材料的高密度却大大提高了单位床容积的热容量。此过程中温度周期变动的降低使该过程的回收率得到很大改善。Yang(用吸附方法进行气体分离，pp.257,327,1987)还建议在床内将高热容的惰性添加剂(铁粒)与吸附剂混合，以提高床的平均热容量。Gaffney等(美国专利5,258,060)使用额外的粘合剂或一种惰性稀释剂来降低一个装有LiX的吸附区的氮气比吸附容量。惰性稀释剂最好有比吸附剂低的热容量，并且或者成一种复合颗粒(加有粘合剂)，或者以单独的颗粒形式均匀分散在床内。惰性稀释剂构成吸附剂床的5％到80％。这种稀释作用降低了温度周期变化，并提高了N2的吸附容量和O2产品的回收率。人们设想在过程中使用吸附剂和催化剂颗粒的混合物，将反应和分离耦合在一个变压反应器(PSR)中(Alpay等，Chem.Eng.Sci.49,5845-5864)。这篇报道考虑了在三种不同的有意义的工业反应流程中各种吸附剂和一种Pt-Al2O3催化剂的混合物。结果表明与传统的定常流动反应器相比，使用PSR能改善转化效率。Walter在德国专利P4,443,191中讲述了利用一台有多个各自装有吸附剂的内隔室的单一容器来降低温度周期变化。隔室之间保持热接触，并被安排成使相邻隔室能同时进行吸附和解吸。热量从吸附室传递到解吸室。这使吸附容量得到了提高。Savage在美国专利4,283,204中披露了使用一种含有可被磁化组分的吸附剂颗粒。横跨床层安放了一个磁场，它将吸附剂稳定，并防止发生流化。未提到在吸附剂和磁性颗粒间的传热效果。吸附和解吸在相同压力下进行。Toussaint(美国专利5,203,887)建议在空分过程所用的床的产品端用一层不太贵的NaX来代替昂贵的LiX，以降低吸附剂的费用。还可以在吸附器的进料端加入一个第二NaX层。气体净化，更具体地说空气预净化是另一种类型的可以使用多种吸附剂来改善工艺性能的吸附分离过程。低温空分装置的操作需要大量经预处理的空气。为防止一次热交换器的冻结和堵塞，必须将污染物如CO2和H2O的浓度降到低于1ppm。此外还必须将在低温液体中溶解度很低的轻烃，如乙炔和某些C3-C8烃类的浓度保持在很低的水平，一般是低于1ppb，以避免它们在低温蒸馏系统中积累。目前变温吸附(TSA)和变压吸附(PSA)这两种方法都被用于空气预净化。TSA预净化器利用相对数量较低的被加热的吹扫气体来再生吸附剂床。一般吹扫气与进料之比≤15％。对于从空气进料中除去主要污染物，例如CO2,H2O和大多数烃类来说，TSA单元是极为有效的，因为这类吸附器通常使用强吸附剂。进料中所含的CO和H2通常被带入到产品中。如果需要除去CO和H2，则通过催化转化来进行CO和H2的顺次氧化。在TSA过程中使用的强吸附剂，例如5A或13X沸石需要能被TSA利用的较大的温差推动力，来实现充分的解吸作用。主要污染物在这类强吸附剂上的被吸附物的操作负荷和选择性应能使CO2穿透进入产品物流发生在乙炔和大多数有害于低温空分装置操作的其它烃类，如C3-C8烃类之前。通常将进料气体冷却，使进料的水含量降至最本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于使进料物流中的一种重组分与一种轻组分分离的变压吸附设备，其中所说设备包括：一个装有一种包含两种或多种吸附剂的混合物或一种包含两种或多种吸附剂的复合吸附剂的吸附剂床，其中对于重组分来说所说吸附剂的至少一种是比较弱的，而另一种是比较强的。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】...

【专利技术属性】
技术研发人员：MW阿克莱，FW勒维特，AB斯特瓦特，F诺塔洛，GW亨兹勒，MS卡内，
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]