用变压吸附进行空气分离的改进方法技术

本申请公开的ＰＳＡ空气分离方法，使用了低吸附／脱附压力比，同时使用了特殊的吸附剂，该吸附剂在高值吸附压力下能够理想的吸附氮气，并且在低值脱附压力下能够容易地释放所述的氮气以将其排出。（*该技术在2011年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及的是压力波动吸附方法，更具体地说，它涉及的是用于空气分离的强化压力波动吸附方法。在众多的化学方法、炼油、金属生产和其它工业操作中，都以各种各样的目的使用了高纯度的氧气和氮气。高纯度氮气用来清洗、覆盖、提供金属处理气氛和其它目的。高纯度氧气用于化学方法、炼钢厂、造纸厂、制铅和玻璃操作及类似用途。氮气和氧气产自空气，典型的是通过低温蒸馏法来制备。这类方法是非常有效的，特别是应用于制备大量气体，但同时它们也需要使用复杂、昂贵的低温处理设备。压力波动吸附（PSA）方法特别适合于这种空气分离操作，特别是应用于制备较少量气体，而这种情况下低温空气分离设备从经济上考虑是不可行的。在所述的PSA方法中，就应用于空气分离来说，进料空气通常被输送至吸附床，该床能够选择性吸附氮气，并且在高值吸附压力下，氮气是空气中更易吸附的组分。氧气，做为空气中不易吸附的组分，从该床通过并排出，之后将该床降压至低值脱附压力下，使所述的氮气脱附，并且当在该床继续进行循环吸附-脱附操作时，在引入另一份进料空气之前，先将脱附的氮气移出。本领域的技术人员容易理解，PSA方法一般在多床系统中采用，进行所需PSA处理程序的每一个床在循环的基础上与在该系统中其它床中这种程序的执行过程相关联。-->一个典型的PSA空气分离处理循环由四个步骤组成：即，（1）使进料空气输送至该床的进料端，在高值吸附压力下对氮气进行选择性吸附，使氧气从该床的另一端即排料端排出;（2）降低该床压力或使该床“放气”至低值吸附压力，使氮气脱附并从该床的进料端将其移出;（3）通过从该床的排料端向该床中引入清洗气流进行清洗，使得氮气进一步脱附并将其从该床的进料端移出;（4）使该床重新加压至高值吸附压力，当连续操作时，使另一份进料空气输送至PSA系统，在循环的基础上重复这些程序。已经公知对于这类PSA方法有各种各样的改进，如用辅加处理步骤，例如包括采用完全或部分压力平衡步骤使压力恢复，以及在特殊的PSA处理循环中省去其它步骤，例如清洗步骤。在基于从空气中选择性吸附氮气的PSA方法中，在该PSA系统的吸附床中采用的是商业上可得到的能从空气中选择性吸附氮气的吸附剂材料。公知的分子筛，例如13X，5A，和10X以及丝光沸石是可以方便地用于这类PSA空气分离方法的吸附剂材料的有代表性的例子。分子筛材料一般倾向于表面出有大的内表面，因而从空气中选择性吸附氮气的能力高。而且它们在本质上是极性的，该性能导致相对于氧气来说能选择性吸附氮气。这类分子筛材料有复杂的“骨架”结构，这些结构可以许多不同的结构变态存在。还有，在沸石分子筛中所固有的极性离子可以通过离子交换方法进行改性。这样，在现有技术中存在有许多不同的分子筛吸附剂材料，这些材料可在不同程度上满意地用于PSA空气分离方法。相对于氧气来说，对氮气的选择性或优先吸附可以用“分离因数”加以定量。本领域一直在着力开发特殊的吸附剂材料，使其在空气分离操作中具有高分离因-->数，同时使其选择性吸附氮气的吸附能力高。八面沸石型沸石X的钠型式经常有利的用于PSA空气分离方法。有人建议，通过用二价离子替换钠离子可以改进对氮气的吸附。Mckee的U.S，3，140，932公开了CaX，SrX，BaX和NiX具有氮气相对于氧气的高分离因数。Sircar等人的U.S.4，557，736公开了用Ca和Sr二元离子交换的X-沸石在超大气压力下具有对氮气特别高的吸附能力，在其优选的实施例中，5-40%的阳离子是Ca++，60-95%的阳离子是Sr++。上面提到的Mckee专利考虑了沸石X的各种碱金属阳离子型式的相对优点，指出Li+型式对于从空气中选择性吸附氮气是优异的。发现这种型式的吸附剂具有高吸附能力，即使在温度为0℃时。测量到氮气相对于氧气的分离因数为6.8。更进一步讲，随着温度的升高，实际上负载分离因数增高。最近，Chao的U.S.4，559，217公开了高程度锂交换的沸石X，其中至少88%的阳离子部位为Li+所占据，在通常的PSA方法操作中，该沸石从空气中吸附出氮气的分离因数比预想的值还高，在一个大气吸附压力和环境压力的条件下，其分离因数高达10.9。再有，还发现在1500torr时与150torr相比，在吸附材料上氮气的载荷是非常不同的。因而在本领域公知，为强化从空气中对氮气的选择性吸附，可以对所需吸附剂材料的沸石结构进行各种各样的改变。通过应用这些改性的吸附剂，就能够改进PSA空气分离方法的吸附步骤。这虽代表了在本领域的理想发展，但不尽人意的是它不能必然导致对整体PSA空气分离方法的改进。在高值吸附压力条件下倾向于更有效的并且选择性更高的从空气中吸附氮气的吸附剂，同时也倾向于在-->低值脱附压力条件下更强的保持所吸附的氮气。再者，PSA方法的整体费用和效率如同该整体方法的吸附步骤是决定因素一样，同样也取决于该方法的脱附步骤。在真空条件下或在约大气压条件下进行脱附操作时，这一结论同样正确。如果有效的利用吸附剂是唯一的可考虑因素，则理想的是在每一PSA循环的吸附床再生部分中，选择性吸附的氮气能全部脱附，在所述循环的下一个继续的吸附部分过程中，使得吸附剂的全部载荷能力都可利用。在这类方法中，适用的最好的吸附剂是在要求的吸附条件下表现出最高氮气载荷能力和最大氮气与氧气分离条件的材料。全部脱附则需要很高的真空度。达到这样高的真空条件所需的设备费用非常高，与这类操作相关的操作费用也很高。实际的PSA的工艺操作，特别是按理想能源效率设计的那些操作，必须在低值压力下来进行部分脱附的操作，所述的压力比完全脱附所要求的高度真空条件高许多。为了满足工业活动更紧迫的需求，PSA空气分离操作依赖于持续开发在实际操作条件下能选择性吸附氮气的先进吸附剂材料。随之而来的是，这类先进吸附剂材料的有效使用要求发展PSA操作细节，以达到整体PSA空气分离性能可满足实际工业操作的要求。如上所述，各种PSA工艺循环和细节在本领域都是公知的。可以理解，每一PSA系统和工艺循环的整体效率取决于它们的具体细节。然而，影响具体PSA操作的全部能量需求的主要因素是最大的高值吸附压力与最低的低值脱附压力之压力比。在降低费用，更有效的进行分离操作的总的方向上，已进行了多种开发，努力来改进PSA空气分离
Lagree和Leavitt的U.S.4，810，265公开了用于从空气中制取氮气的二床真空PSA方法和系统，采用了并流产物清-->洗和逆流氧气清洗，是为了低能量消耗和投资费用而开发的。也已经提出了用于从空气中制取氧气的改进的真空PSA方法，利用了普通的工艺设备，投资费用低，并且该方法可以在相似于或低于其它工业PSA方法的能量消耗条件下进行操作。尽管在用于将空气分离为氧气和/或氮气产物气流的PSA
有了这些可观的进展，但在该领域仍然确实存在对更有效PSA空气分离方法的需求。为了满足现存和预计的工业应用对这类氧气和/或氮气产品的需要，要求必须开发更有效的方法来分离空气以制备高纯度氧气和氮气产品，特别是在消耗很少能量的条件下。因而本专利技术的一个目的是提供一种用于空气分离的改进的PSA方法。本专利技术的另一个目的是提供一种以有利的低能量消耗用于制备氧气（和氩）和氮气组分气流的改进的PSA方本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于空气分离的压力波动吸附方法，采用的压力波动吸附系统含有至少两个吸附剂床，其中的吸附剂材料能够从进料空气中选择性吸附氮气，使氧气和氩通过并从该床排出，所述的方法包括：在循环的基础上，在高值吸附压力进行吸附，并在低值脱附压力进行脱附，改进之处包括在低于大气压力循环条件下进行所述的吸一脱附过程，其中所述的高值吸附压力处于或略低于大气压，所述的低值压力低于大气压力，吸附／脱附压力比的范围为１．４∶１至４：１所述的吸附剂材料含有ＮａＸ沸石吸附剂，该吸附剂用一价阳离子进行高度交换以置换其中的Ｎａ↑［＋］离子和／或在提高的温度下用苛性浸泡进行改性以提高其中的沸石含量，由此，以在吸一脱附过程中有利的低能量消耗值和按照适宜的吸附剂利用要求理想地实现了氧气和氩与氮气的分离。

【技术特征摘要】
US 1990-5-30 530,2851、一种用于空气分离的压力波动吸附方法，采用的压力波动吸附系统含有至少两个吸附剂床，其中的吸附剂材料能够从进料空气中选择性吸附氮气，使氧气和氩通过并从该床排出，所述的方法包括：在循环的基础上，在高值吸附压力进行吸附，并在低值脱附压力进行脱附，改进之处包括在低于大气压力循环条件下进行所述的吸一脱附过程，其中所述的高值吸附压力处于或略低于大气压，所述的低值压力低于大气压力，吸附/脱附压力比的范围为1.4∶1至4∶1所述的吸附剂材料含有NaX沸石吸附剂，该吸附剂用一价阳离子进行高度交换以置换其中的Na+离子和/或在提高的温度下用苛性浸泡进行改性以提高其中的沸石含量，由此，以在吸一脱附过程中有利的低能量消耗值和按照适宜的吸附剂利用要求理想地实现了氧气和氩与氮气的分离。2、如权利要求1所述的方法，其中所述的压力比范围为2∶1至4∶1。3、如权利要求1所述的方法，其中所述的吸附含有用锂交换的NaX，它有至少88%的AlO2四面体单元与锂阳离子缔合。4、如权利要求3所述的方法，其中所述NaX骨架SiO2/Al2O3摩尔比小于3.0。5、如权利要求4所述的方法，其中所述的SiO2/Al2O3摩尔比为2.0至2.5。6、如权利要求5所述的方法，其中所述的锂交换和程度至少为95%。7、如权利要求5所述的方法，其中所述的锂交换程度为97%。8、如权利要求6所述的方法，其中所述的SiO2/Al2O3摩尔比为2.0。9、如权利要求6所述的方法，其中所述的SiO2/Al2O3摩尔比为2.5。10、如权利要求8所述的方法，其中所述的压力比范围为2∶1至4∶1。11、如权利要求9所述的方法，其中所述的压力比为2∶1至4∶1。12、如权利要求1所述的方法，其中所述的吸附剂含有NaX沸石吸附剂，该吸附剂通过在提高的温度下苛性浸泡进行改性，以提高其中的沸石含量。13、如权利要求12所述的方法，其中所述的压力比范围为2∶1至4∶1。14、一种用于空气分离的压力波动吸附方法，采用的压力波动吸附系统含有至少两个吸附剂床，其中的吸附剂材料能够从进料空气中选择性的吸附氮气，使氧气和氩通过并从该床排出，所述的方法包括：在循环基础上，在高值吸附压力下吸附，并在低值脱附压力下脱附，改进之处包括在贯穿大气压循环条件下进行所述的吸-脱附过程，其中所述的高值吸附压力高于大气压，所述的低值脱附压力低于大气压，吸附/脱附压力比范围为1.4∶1至4∶1，所述的吸附剂材料含有NaX沸石吸附剂，该吸附剂用一价阳离子高度交换以置换其中的Na+离子和/或在提高的温度下通过苛性浸泡进行改性以增加其中的沸石含量，由此，以在吸-脱附过程中有利的低能量消耗值，并按照适宜的吸附剂利用要求理想地实现了氧气和氩与氮气的分离。15、如权利要求14所述的方法，其中所述的压...

【专利技术属性】
技术研发人员：弗雷德里克W莱维特，
申请(专利权)人：普拉塞尔技术公司，
类型：发明
国别省市：US[美国]