速率/动力学选择性多床吸附工艺循环制造技术

本发明专利技术涉及一种强化工艺循环，所述强化工艺循环利用明显更大量存在的吸附床，从而允许处理显著更多的气体和/或产生显著更多的产物。消除吹扫步骤、减少均衡步骤时间并且引入重叠的进料步骤和均衡步骤(反之通常导致基于平衡的循环的性能下降)使得无需采取额外的其他行动步骤，诸如附加的均衡步骤等。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】速率/动力学选择性多床吸附工艺循环相关申请本申请要求2018年3月29日提交的美国临时申请序列号62/649798的权益，该美国临时申请以引用方式并入本文。
本专利技术整体涉及一种用于主要通过速率或动力学选择性吸附从进料流中去除污染物的系统的方法。这些系统显著不同于典型的平衡选择性吸附，可以商业性存在于氮气变压吸附(PSA)系统中。通常已知速率选择性碳分子筛提供可以用于这些方法中的速率选择性特性。使用非平衡选择性吸附剂进行速率选择性吸附比在多床情况下使用平衡选择性吸附剂需要考虑不同的因素。将在平衡选择性多床系统方法中取得的进展应用于简单的速率选择性吸附系统，证明其不及这些方法。然而，新的考虑因素极大地提高了系统的性能以及最终回收率和经济效益。本专利技术由用于速率选择性吸附剂的多床工艺组成，以通过引入附加均衡步骤、更多时间以再生系统和/或一次引入更多可用床以处理通常不存在于PSA系统中的进料气体来提高产物气体的效率和回收率。这些附加均衡步骤可通过引入新的静止步骤、重叠的均衡和进料加压并且省略吹扫来实现。这些新的循环在从天然气中去除N2方面得到了证明，但适用于具有非平衡选择性吸附剂(定义为处于平衡状态时优先吸附产物而不是污染物的吸附剂)的任何速率选择性工艺。
技术介绍
即使在吸附剂完全相同并且进料条件完全相同的情况下，过程也不会完全相同。因此，必须分别评估每个过程，这可能是一项艰巨的任务。作为做该选择存在的困难的示例，对于非常简单的4床4相循环，存在38个步骤选项，这些步骤选项一次仅可针对2个床相互排斥。假设步骤时间中仅变化1秒，通过改变床尺寸，一个步骤变化至多150秒，则产生的复杂度为3^(4*4)^38^150，这导致大约1E59000个组合，而宇宙的直径仅为1E29英尺。每个模拟可能需要200多个小时才能达到最佳的循环稳态，以评估该循环的全部性能。为了找到最佳结果，大约需要1E58999年。为此，找到循环或操作有用循环方案以及相对于当前生产循环的显著增加即使对于本领域的技术人员而言也不是显而易见的，并且对于新应用或新型吸附剂而言尤其如此。与传统观念背道而驰的趋势可完全重写先前发现的方法和相关性。本专利技术涉及对应于速率选择性材料的非常具体的工艺的发现。几十年来，诸如变压吸附(PSA)、变真空吸附(VSA)和真空变压(VPSA)的吸附工艺已在商业上用于本体空气分离以及痕量空气污染物的去除。在PSA和VPSA工艺中，压缩空气被泵送通过吸附剂的固定床，该吸附剂对主要成分中的一种成分(通常在本体空气分离中为N2，在空气预纯化中为CO2和H2O，或者在H2纯化中为CO和CO2等)表现出吸附性偏好，从而获得富含较少吸附成分的流出产物流。对这些工艺进行改进仍然是重要的目标，一种主要手段是发现和开发更好的工艺循环。不仅在气体回收方面而且在总体系统尺寸减小方面都已实现显著改进。即使不断改进并用更好的替代品替换用于驱动系统的吸附剂，这些改进也继续提供重要的有益效果。一种增加产物气体回收率的策略是引入均衡步骤。这些步骤用于在已处理的空隙空间中节省压缩气体，并通过在将后续床放在生产步骤之前减少其所需的加压来另外节省能量。在平衡选择性工艺中，所寻求的持续改进之一是增加吸附速率。因此，这也增加了解吸速率。在均衡步骤期间，如果通过床的通量显著高于材料的吸附速率，则吸附前沿可在减压期间在床中扩散。这种现象在加压过程中不会自动逆转，因此产物气体污染物浓度会增加。有许多专利提出了快速循环PSA工艺，但是首过回收率显著降低。授予Jain等人的美国专利号6231644描述了利用单片吸附材料的改进空气分离工艺，其中循环时间为35秒。授予Keefer等人的美国专利号6176897和6056804描述了小于一秒的循环时间，但包括由于来自吸附床的首过气体回收率非常低而引起的不同能量回收方法。对于已被压缩至10psig以上的流，能量损失和恢复那些损失的资金加重了快速PSA工艺的有益效果的负担。Baksh等人在美国专利号7179324中描述了产生纯化氢气的多步骤多床循环。该专利描述了使用3床多均衡工艺的方法，该方法允许实现与添加第4个床相当的显著回收率增加，但没有额外的成本。还公开了使用并发均衡和进料步骤，但由于性能降低而受到阻碍。偏好最少11秒的步骤，并且吹扫步骤是强制性的。美国专利号8778051公开了使用并发均衡和进料步骤，但由于性能降低而不是理想的。吹扫步骤在该工艺中也是强制性的。美国专利号9381460公开了使用并发均衡和进料步骤，参考美国专利号8778051，其也受到性能降低的影响。作为本公开的一部分，公开了1-150秒的定时，但10-150秒似乎是优选的。吹扫步骤在该工艺中是强制性的。受权利要求书保护的本专利技术的一个目的是提供一种强化工艺循环，该强化工艺循环通过引入更多均衡步骤、更多时间以再生速率选择性吸附系统和/或一次引入更多可用床以处理进料气体来提高系统的生产率和/或回收率。
技术实现思路
本专利技术涉及一种强化工艺循环，所述强化工艺循环利用明显更大量存在的吸附床，从而允许处理显著更多的气体和/或产生显著更多的产物。消除吹扫步骤、减少均衡步骤时间并且引入重叠的进料步骤和均衡步骤(反之通常导致基于平衡的循环的性能下降)使得无需采取额外的其他行动步骤，诸如附加的均衡步骤等。附图说明图1从单个床的角度示出了4131循环的工艺。图2从单个床的角度示出了4122循环的工艺。图3从单个床的角度示出了4221循环的工艺。图1-3的图例为：F-进料步骤，并且如果在压力下则制备产物EQD1-第一次向下均衡EQD2-第二次向下均衡EQD3-第三次向下均衡X-空闲步骤BD-床吹除/排气EQU3-第三次向上均衡EQU2-第二次向上均衡EQU1/F-第一次向上均衡，重叠进料PP/F-产物加压，重叠进料图4概述了测量氮气和甲烷的吸附速率的TGA方法序列。图5示出了按照图4中概述的方法获得的TGA曲线图的示例。图6示出了图3中的相同曲线图的扩展，以例示在气体切换期间观察到的特征。图7示出了显示该系统在水力压裂后对天然气井口进料流的典型应用的示意图。图8示出了4131循环的循环图表。图9示出了4122循环的循环图表。图10示出了4221循环的循环图表。具体实施方式本专利技术是一种用于速率选择性吸附工艺的多床(>1个床)系统。新的考虑因素是更快的瞬态步骤(均衡和加压/减压)，这使得能够包括重叠的均衡和进料步骤。虽然主要针对从天然气中分离氮气描述了这些特性，但应当指出的是，它们也将适用于其他基于动力学的分离，前提条件是待从产物气体中分离的杂质分别具有针对氮气和天然气/甲烷所描述的特性。该工艺还可包括其他吸附剂以去除存在于进料流中的一系列污染物，包括含有多于4个碳原子的烃、水分、二氧化碳、含硫物质或本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种变压吸附方法，所述方法用于分离含有至少一种能够较快吸附的组分和至少一种能够较慢吸附的产物气体组分的加压进料供应气体，所述方法包括：将供应气体连续进料到含有至少一种固体吸附剂的吸附床的进料输入端中，所述至少一种固体吸附剂动力学地吸附所述能够较快吸附的组分；以及从所述吸附床的出口端抽出能够最慢吸附的组分，所述吸附床具有至少2个在用床，在所述在用床中，顺序地通过所述吸附床中的每个吸附床连续进料所述供应气体通过使用以下步骤来产生产物气体：连续进料气体，恒定产物气体步骤，产物加压步骤，高压均衡步骤，其中存在与向所述床进料重叠的产物制备步骤，至少一个向上均衡步骤和一个向下均衡步骤，用于对所述床减压的吹除步骤，其中在所述PSA方法的任何步骤期间基本上不向任何床提供吹扫。/n

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】20180329 US 62/6497981.一种变压吸附方法，所述方法用于分离含有至少一种能够较快吸附的组分和至少一种能够较慢吸附的产物气体组分的加压进料供应气体，所述方法包括：将供应气体连续进料到含有至少一种固体吸附剂的吸附床的进料输入端中，所述至少一种固体吸附剂动力学地吸附所述能够较快吸附的组分；以及从所述吸附床的出口端抽出能够最慢吸附的组分，所述吸附床具有至少2个在用床，在所述在用床中，顺序地通过所述吸附床中的每个吸附床连续进料所述供应气体通过使用以下步骤来产生产物气体：连续进料气体，恒定产物气体步骤，产物加压步骤，高压均衡步骤，其中存在与向所述床进料重叠的产物制备步骤，至少一个向上均衡步骤和一个向下均衡步骤，用于对所述床减压的吹除步骤，其中在所述PSA方法的任何步骤期间基本上不向任何床提供吹扫。


2.根据权利要求1所述的方法，其中所述均衡步骤在10秒或更短时间内进行。


3.根据权利要求1所述的方法，其中进料加压与最后一次向上均衡步骤重叠。


4.根据权利要求1所述的方法，其中存在将所述方法中的床与所有气体流隔离的至少一个静止步骤。


5.根据权利要求1所述的变压吸附方法，其中所述能够较慢吸附的组分是包含甲烷的产物气体，并且所述能够较快吸附的组分是N2和/或CO2。


6.根据权利要求1所述的变压吸附方法，其中所述能够较慢吸附的组分是包含N2的产物气体，并且所述能够较快吸附的组分是O2。


7.根据权利要求1所述的变压吸附方法，其中每个吸附床含有沸石材料。


8.根据权利要求1所述的方法，其中：
a.在所述方法的任何步骤期间基本上没有向任何床提供吹扫，并且
b.存在10秒或更短时间的非常快速的均衡步骤。


9.根据权利要求8所述的方法，其中循环具有重叠的进料加压和最后一次向上均衡步骤。


10.根据权利要求8所述的方法，其中存在将所述床与所有气体流隔离的至少一个静止步骤。


11.根据权利要求1所述的方法，其中所述吸附剂包括沸石A、菱沸石、丝光沸石、斜发沸石、ZSM-5或它们的组合。


12.根据权利要求11所述的方法，其中所述吸附剂是与至少一种阳离子交换的沸石，所述至少一种阳离子选组：Li、Na、K、Mg、Ca、Sr、Ba、Cu、Ag、Zn、NH4+以及它们的组合或混合物。


13.一种变压吸附方法，所述方法用于分离含有N2和甲烷的加压进料供应气体，所述方法包括：将所述供应气体连续进料到含有至少一种固体吸附剂的吸附床的进料输入端中，所述至少一种固体吸附剂动力学地...

【专利技术属性】
技术研发人员：N·R·斯塔克特，M·圣詹姆斯，
申请(专利权)人：普莱克斯技术有限公司，
类型：发明
国别省市：美国;US