快速循环变压吸附系统的性能稳定性技术方案

用于制备氧气的变压吸附方法，包括（ａ）提供至少一个吸附剂容器，具有与该容器的进料端相邻的第一层吸附剂和与第一层相邻的第二层吸附剂，其中第一层的表面积与体积比为约５～约１１ｃｍ↑［－１］；（ｂ）将加压的包含至少氧气、氮气和水的进料气体引入到进料端，将至少一部分水吸附在第一层中的吸附剂中，将至少一部分氮气吸附在第二层中的吸附剂中，其中该加压的进料气体在第一层中的空塔接触时间在约０．０８～约０．５０秒之间；以及（ｃ）从吸附剂容器的产物端取出富含氧气的产物气体。

【技术实现步骤摘要】
快速循环变压吸附系统的性能稳定性
技术介绍
最近在工艺和吸附剂技术方面的改进使得传统大规模变压吸附(PSA )系统能够缩小规模到在非常短时间间隔的快速循环中操作的 更小得多的系统。这些小型的快速循环PSA系统可以用于例如从环境 空气中回收氧气的便携式医用氧浓缩器中。随着这些浓缩器的市场的 增长，为了在氧气治疗中的病人的利益，就需要开发越来越更小型、 更轻便、以及更便携式的装置。进料气体中杂质对吸附剂的影响是很多PSA系统中的普遍问题， 在小型快速循环P S A系统中所需的小型吸附剂床中，这种影响特别严 重。例如，通过由于在PSA循环的再生步骤过程中不能完全除去吸附 的杂质，因此会使吸附剂逐渐失活，使空气中的水和二氧化碳杂质会 造成小型PSA空气分离系统的性能的明显降低。因为这种逐渐失活， 氧气的回收率会随时间降低，会经常需要更换吸附剂。可替代地，会 需要过大的吸附剂床来应付连续的吸附剂失活。这两种情况都是不符 合需要的，因为其增加了该氧浓缩器系统的费用和重量。本领域中需要用于在小型、便携式、快速循环PSA氧浓缩器的设 计和操作中除去杂质(特别是水)的改进的方法。通过以下所述且由 后述权利要求书所限定的本专利技术的实施方式，实现了这种需求。
技术实现思路
本专利技术的一种实施方式涉及一种用于制备氧气的变压吸附方法， 包括(a)提供至少一个吸附剂容器，具有进料端和产物端，其中 该容器包括与进料端相邻的第一层吸附剂材料和设置在第一层和产 物端之间的第二层吸附剂材料，其中该第 一层中的吸附剂可选择性地 从包含水、氧气和氮气的混合物中吸附水，第二层中的吸附剂可选择 性地从包含氧气和氮气的混合物中吸附氮气，第 一层吸附剂材料的表 面积与体积比为约5~约11 cm"; (b)将加压的包含至少氧气、氮 气和水的进料气体加入到吸附剂容器的进料端，将气体接连通过第一层和第二层，将至少一部分水吸附在第一层中的吸附剂材料中，将至 少 一 部分氮气吸附在第二层中的吸附剂材料中，其中该加压的进料气体在第一层中的空塔接触时间在约0.08~约0.50秒之间；以及(c) 从吸附剂容器的产物端取出富含氧气的产物气体。该加压的进料气体 可以是空气。第一层中的吸附剂材料可以包括活性氧化铝，其可以具有约0.3 mm 约l.Omm的平均粒径。第二层中的吸附剂材料可以可选择性地 从包含氮气和氧气的混合物中吸附氮气。在从吸附剂容器的产物端取 出的产物气体中氧气的浓度可以为至少85体积％。第一层的深度可 以为总床高度的约10% ~约40% ,第一层的深度可以为约0.7 cm~ 约13 cm。该吸附剂容器可以为圓筒形，第一层和第二层的总深度与 吸附剂容器的内径之比可以为约1.8 ~约6.0之间。该变压吸附方法可以以重复循环的方式操作，包括至少 一个进料 步骤，其中将加压的进料气体引入吸附剂容器的进料端，从吸附剂容器的产物端取出富含氧气的产物气体；减压步骤，其中从吸附剂容器 的进料端取出气体，以在第一和第二层中再生该吸附剂材料；和再加 压步骤，其中通过在吸附剂容器中引入一种或多种再加压气体，对吸 附剂容器进行加压，其中进料步骤的持续时间可以为约0.75秒~约 30秒。该循环的总持续时间可以在约6秒和约60秒之间。该富含氧气的产物气体的流速可以为约1~约11.0标准升/分钟， 更特别地，可以为约0.4~约3.5标准升/分钟。在第一层中的吸附剂 材料重量与在93体积％氧气产物纯度的以标准升每分钟计的产物气 体的流量之比可以大于约44 g/slpm。在吸附剂床和其容器壁之间的平 均传热效率可以等于或大于约0.25 BTU fr2 hr-1 。F-1。该变压吸附方法可以以重复循环的方式操作，包括至少 一个进料 步骤，其中将加压的进料气体引入吸附剂容器的进料端，从吸附剂容器的产物端取出富含氧气的产物气体；减压步骤，其中从吸附剂容器 的进料端取出气体，以在第一和第二层中再生该吸附剂材料；和再加 压步骤，其中通过在吸附剂容器中引入一种或多种再加压气体，对吸 附剂容器进行加压，其中在预处理层中的最大轴向床温差可以等于或 小于约70。F。可以使冷却空气越过吸附塔的外表面。权利要求1的方法，其中在产物气体中回收的氧气量大于在加压的进料气体中氧气量的约35%。第二层中的吸附剂材料可以包括选自 X型沸石、A型沸石、Y-型沸石、菱沸石、发光沸石和斜发沸石中的 一种或多种吸附剂。该吸附剂材料可以是锂交换X型沸石，其中至少约85。/o的活性部位阳离子是锂；Si02与八1203的摩尔比可以在约2.0~ 约2.5的范围内。附图简述附图说明图1是氧气产物纯度随时间的变化与吸附热Q之间关系的曲线 图，其针对用于从进料气体中将水和二氧化碳除去到快速循环变压吸 附系统的各种预处理吸附剂。图2是各种吸附剂的水吸附热与装载量之间关系的曲线图。 图3是显示床到柱的传热系数对预处理层和主层的界面处床温变 化的影响的曲线图。具体实施方式用于家庭医疗医用的便携式氧浓缩器越来越受到欢迎，在目前用 于高压气瓶和家用供应液态氧系统的市场上具有高潜力。在该市场上 成功的浓缩器的关键在于最小化总重量和尺寸。便携式的浓缩器使用 变压吸附(PSA)方法，其中对多个吸附剂床进行加压和减压，其中 该吸附剂选择性取出氮气和其它气体制备富含氧气的产物流。为了实 现系统重量和尺寸最小化的需求，需要使用短的吸附剂床和快速循环 时间，以在25。C和1 atma的标准条件下以至多3标准升/分钟(slpm ) 的典型连续流速递送浓缩产物。此处所用的专业术语"变压吸附"(PSA)是指所有在最大和最 小压力之间操作的吸附分离系统。最大压力通常高于大气压，最小压 力可以高于大气压或低于大气压。当最小压力低于大气压且最大压力 高于大气压时，该系统通常也称为压力真空变压吸附(PVSA)系统。 当该最大压力等于或低于大气压且最小压力低于大气压时，该系统通 常也称为真空变压吸附(VSA)方法。通常用作氧气PSA系统中的氮气选择性吸附剂的沸石吸附剂对 环境空气中存在的污染物(特别是水和二氧化碳)敏感。这些氮气选 择性沸石吸附剂对这些杂质具有较高的吸引力，当在再生步骤过程中不能充分除去这些杂质时，该吸附剂会发生快速失活。在现有技术中 使用了多种技术从进料气中除去这些杂质。在单一和多重床分离系统 中，通常将吸附剂放置在容器中，在进料口具有一层杂质选择性吸附 剂，然后是一层或多层氮气选择性吸附剂。杂质选择性吸附剂的目的 在于减少或除去水和/或二氧化碳，保护下游的吸附剂不会继续失活。 水通常是最重要和加以控制的污染物。进料物流浓度的变化会对小型 床吸附剂中的预处理层内的水和二氧化碳吸附的稳定性产生显著的 影响，因为相比较不敏感的大型床而言，吸附剂的绝对量要小得多。预处理层的长度或深度和水和二氧化碳吸附相前沿(front)的稳定性与进料气体的速度、预处理吸附剂对污染物的亲和力、和预处理吸附剂的传质阻力是成正比的。在床的直径大于约1英尺的大型PSA系 统中，通常使用X型沸石层作为预处理层，且使用相对较短的X型 沸石层(通常小于总床深度的10% )会在通常的扫气/进料比和空塔 速率下在长时间间隔内保持稳定的生产。然而，我们发现在本专利技术的 实施方式的开发中，使用在深度小于约本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于制备氧气的变压吸附方法，包括：　　　　（ａ）提供至少一个吸附剂容器，具有进料端和产物端，其中该容器包括与进料端相邻的第一层吸附剂材料和设置在第一层和产物端之间的第二层吸附剂材料，其中该第一层中的吸附剂可选择性地从包含水、氧气和氮气的混合物中吸附水，第二层中的吸附剂可选择性地从包含氧气和氮气的混合物中吸附氮气，第一层吸附剂材料的表面积与体积比为约５～约１１ｃｍ↑［－１］；　　　　（ｂ）将加压的包含至少氧气、氮气和水的进料气体引入到吸附剂容器的进料端，将气体接连通过第一层和第二层，将至少一部分水吸附在第一层中的吸附剂材料中，将至少一部分氮气吸附在第二层中的吸附剂材料中，其中该加压的进料气体在第一层中的空塔接触时间在约０．０８～约０．５０秒之间；以及　　　　（ｃ）从吸附剂容器的产物端取出富含氧气的产物气体。

【技术特征摘要】
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【专利技术属性】
技术研发人员：MJ拉布达，TC戈登，RD怀特利，CE斯泰格瓦尔特，
申请(专利权)人：气体产品与化学公司，
类型：发明
国别省市：US[美国]