制造高填充率复合吸附体床层的方法、包括床层的吸附器和使用吸附器的基于吸附的气体分离技术

披露了一种吸附体床层，该吸附体床层包括至少一个基本复合结构，该至少一个基本复合结构包含在聚合物基质中的吸附颗粒，其中该吸附体床层具有床层填充率ρ

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】制造高填充率复合吸附体床层的方法、包括床层的吸附器和使用吸附器的基于吸附的气体分离
[0001]相关申请的交叉引用
[0002]本申请根据35 U.S.C.
§
119(e)要求2019年7月12日提交的美国临时专利申请号62/873,280、2019年7月12日提交的美国临时专利申请号62/873,284以及2019年7月12日提交的美国临时专利申请号62/873,289的优先权的权益，这些申请的全部内容通过引用结合在此。
[0003]背景


[0004]本专利技术涉及基于吸附体的气体分离或净化。

技术介绍

[0005]常规吸附体通常为珠粒或丸粒，这些珠粒或丸粒的直径典型地为1至6mm。虽然珠粒/丸粒形状具有实际的优点(例如，便于吸附器皿的装卸)，但它们也存在缺点。这些缺点包括有限的床层填充率(例如，63％)、相对高的压降和低磨耗速度(这限制了给定吸附体床层可以处理的流速)。
[0006]床层填充率(ρ
床层
，表示为百分比)被定义为由成形吸附体占据的体积(V
成形吸附体
)(以m3为单位)除以容纳成形吸附体的容器的体积(V
床层
)(以m3为单位)，并且以方程形式表示为：
[0007][0008]根据高斯(1831)，相同直径的球体的理论填充极限为：
[0009][0010]大约74％的填充率产生大约26％的空隙率(ε)。在商业珠粒式/丸粒式吸附体系统中，由于窄的粒度分布和填充率缺陷，观察到的填充率显著低于理论填充率，因为典型地只能够达到约60％。因为吸附体床层用于吸附气体的容量与填充率相关，所以珠粒式/丸粒式吸附体床层典型地达到的这种60％的最大填充率限制了吸附体床层容量。
[0011]因此，需要提高吸附体床层的容量。
[0012]一种提高商业吸附体系统的生产率并改进其能量平衡的方式可以通过降低跨吸附体床层的压降来实现。
[0013]根据厄贡(Ergun)方程，跨珠粒/丸粒的填充床层的压降可以描述为粘性分量和惯性分量的总和：
[0014][0015]其中：
[0016]ΔP(以Pa表示)是跨床层的压降
[0017]L是床层长度(以m表示)
[0018]μ是气体粘度(Pa
·
s)
[0019]ρ是气体密度(kg/m3)
[0020]D
p
是微粒(珠粒、丸粒)直径(m)
[0021]ε是床层空隙率
[0022]v
s
是气体表观速度(m/s)
[0023]总和的第一部分称为粘性分量。它解释了由气体沿着成形吸附体的表面的摩擦引起的压力损失。总和的第二部分称为惯性分量。它解释了沿着气体流动路径(包括迂曲、压缩
‑
膨胀、涡流等)的动能损失。粘性分量的压降贡献强烈依赖于气体温度，而惯性分量的压降贡献主要依赖于气体压力。在珠粒式系统的情况下，由于气体流线的高迂曲度，此方程的第二半部在大多数操作速度下(与第一半部相比)占主导地位。因此，预计气体速度的增加会导致跨床层的压降显著增加。跨床层的压降的显著增加继而显著增加了与进料气体压缩相关联的成本。
[0024]因此，需要具有较低压降的吸附体床层。
[0025]另一种提高商业吸附体系统的生产率并改进其能量平衡的方式可以通过增加进料流速来实现。
[0026]如果珠粒/丸粒在快速加压或降压事件之后流化，则它们可能会破裂或产生粉尘，尽管良好的过程设计试图防止此类事件发生。粉尘也可能因以下各项产生：1)在将吸附体珠粒/丸粒装载到容纳它们的吸附器皿期间发生的珠粒/丸粒的初始磨耗，以及(2)吸附体珠粒/丸粒的热应力。随着压降的增加，使珠粒/丸粒破裂或起尘可能对功耗产生不利影响。粉尘颗粒或破裂的珠粒/丸粒的较小大小产生相对较高的通过床层的压降。这在厄贡方程中是明显的，因为粘性分量与(D
p
)2的平方成反比，而惯性分量与D
p
成反比。粉尘的存在也可能例如通过损害阀座或增加换热器的传热阻力而对吸附器下游的设备产生不利影响。吸附体床层避免流化的能力的量度是磨耗速度。高于磨耗速度的气体表观速度被理解为产生不希望的磨耗和前述缺点，而低于磨耗速度的气体表观速度被理解为避免这种磨耗以及随之而来的缺点。
[0027]为了适应更大的进料气体流速，可以通过选择更大并因此更重的珠粒/丸粒来增加磨耗速度。然而，由于这种更大珠粒内存在扩散限制，这样做通常会以更缓慢的动力学为代价。换句话说，在常规珠粒式床层的背景下，在动力学与最大允许进料流速(或气体速度)之间存在折衷。因此，常规珠粒式/丸粒式床层无法同时实现快速动力学和高气体速度。
[0028]所以，需要具有相对快速的动力学并且可以经历相对高的进料流速或气体速度的吸附体床层。
[0029]对于给定珠粒大小、过程压力和过程温度，最大允许进料流速典型地设定为磨耗速度的高分数(例如，临界气体速度的80％)乘以吸附器皿的液压截面。因此，为了给轴向吸附体床层定尺寸以适应特定的进料流速，调节吸附器皿的液压截面(即内径)。实际上来说。然而，由于货物大小限制，在道路上(尤其是在人口稠密的区域中)运输外径大于6米的吸附器皿可能具有挑战性。超过这个6米的极限，流动构型典型地从轴向变为径向。用于适应更大进料流速的(径向床层的)新设计变量则成为径向床层的高度。然而，相较于轴向床层，构
建和操作径向床层更加复杂且成本更高，从而增加了资本费用和运营费用。例如，具有复杂构型的竖直栅格必须定位在径向床层内，以便将不同的吸附体层彼此分开。另外，相较于轴向床层，径向床层每单位重量的吸附体需要更多的钢，从而增加了热惯量。在考虑变温吸附(TSA)方案时，热惯量是关键参数。
[0030]因此，需要可以以超过常规珠粒式床层的磨耗速度的速度操作同时减少任何压降和气体压缩成本增加的轴向吸附体床层。还需要可以处理增加的进料流速而无需将吸附器皿的外径增加至超过6m的吸附体床层。
[0031]已经提出了珠粒式/丸粒式床层的若干替代方案。例如，US 6,521,019提出了一种固定的(相对于旋转的或移动的)整体式吸附体轮，其具有由上面沉积有薄吸附体层(例如，0.5mm厚)的非吸附体基材制成的直流动通道。相对薄的吸附体层有助于实现改进的动力学，而整体结构不经受流化，并因此可以处理非常大的流速。可替代地，US 8,257,474披露了一种可用于产生吸着剂纤维束的吸着剂中空纤维。这种方法也增强了动力学。
[0032]虽然前述替代性解决方案通常实现更快速的动力学并减少流化/磨耗问题，但它们是以吸附体填充率和密度为代价实现的。例如，US 6,521,019和US 8,257,474两者都表现出显著较低的吸附体密度(表示为kg/m3)。
[0033]在另一个实例中，US 9,713,787披露了由长丝构成的概念性吸附体床层，这些长丝可以随机填充、螺旋卷绕或织造成织物。虽然与丸粒本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】1.一种制造吸附体床层的方法，该方法包括以下步骤：通过纺丝组合物的扩散诱导相转化形成至少一个基本复合聚合物/吸附体结构，该纺丝组合物包含吸附颗粒、溶剂和溶解在该溶剂中的聚合物粘合剂；形成该至少一个基本复合聚合物/吸附体结构的中间床层；以及压缩该中间床层，以便使该至少一个基本复合聚合物/吸附体结构相对于其自身或彼此固定并且形成成品床层。2.如权利要求1所述的方法，其中，该至少一个基本复合聚合物/吸附体结构包括具有平均大尺寸Dmaj和平均小尺寸Dmin的多个基本复合聚合物/吸附体珠粒或挤出物，其中Dmaj:Dmin的比率在1:1至小于20:1的范围内。3.如权利要求2所述的方法，其中：该至少一个基本复合聚合物/吸附体结构通过用于该聚合物粘合剂的溶剂进行润湿；所述压缩该中间床层的步骤包括以下步骤：在此期间将撞槌推到该中间床层上；并且所述方法还包括使该成品床层干燥的步骤，其中该多个珠粒或挤出物中的相邻珠粒或挤出物彼此粘附。4.如权利要求2所述的方法，其中，所述压缩该中间床层的步骤包括以下步骤：将机械限制器放置在该中间床层的顶部上并且将撞槌推到该机械限制器上，并且在将该机械限制器保持在适当位置以便维持这些珠粒或挤出物处于压缩张力下的同时将该撞槌从该机械限制器去除。5.如权利要求1所述的方法，其中，该至少一个基本复合聚合物/吸附体结构中的每一者被构造为具有长度L和直径D的纤维，其中L:D的比率为至少20:1。6.如权利要求5所述的方法，其中：所述形成该中间床层的步骤包括以下步骤：围绕中心管布置这些基本复合聚合物/吸附体纤维中的一根或多根，从而提供该中间床层；并且所述压缩该中间床层的步骤包括以下步骤：围绕这些基本复合聚合物/吸附体纤维和该中心管放置刚性套管并且径向压缩该套管，以便压缩该中间床层并且形成该成品床层；并且所述方法进一步包括以下步骤：将该成品床层放置在吸附器的压力器皿内。7.如权利要求6所述的方法，其中，该一根或多根基本复合聚合物/吸附体纤维围绕该中心管螺旋包裹。8.如权利要求5所述的方法，其中：所述形成该中间床层的步骤包括以下步骤：形成该基本复合聚合物/吸附体纤维的一股或多股绞线；所述压缩该中间床层的步骤包括以下步骤：围绕该一股或多股绞线放置刚性套管并且径向压缩该套管，以便压缩该中间床层并且产生该成品床层；并且所述方法进一步包括以下步骤：将该成品床层放置在吸附器的压力器皿内。9.如权利要求8所述的方法，其中，该基本复合聚合物/吸附体纤维的该一股或多股绞线包括彼此平行布置的多股绞线。10.如权利要求5所述的方法，其中：所述形成该中间床层的步骤包括以下步骤：形成该基本复合聚合物/吸附体纤维的多
股绞线，并且将这些绞线围绕中心管平行分布；并且所述压缩该中间床层的步骤包括以下步骤：围绕这些基本复合聚合物/吸附体纤维和该中心管放置刚性套管并且径向压缩该套管，以便压缩该中间床层以产生该成品床层；并且所述方法进一步包括以下步骤：将该成品床层放置在吸附器的压力器皿内。11.如权利要求1所述的方法，其中：在所述形成该中间床层的步骤之前、期间和/或之后，但在完成所述压缩该中间床层的步骤之前，该至少一个基本复合聚合物/吸附体结构通过用于该聚合物粘合剂的溶剂进行润湿，使得导致该至少一个基本复合聚合物/吸附体结构的该聚合物粘合剂通过该溶剂溶胀或软化，并且粘附到其自身；所述压缩该中间床层的步骤包括以下步骤：向该中间床层施加压缩力以产生该成品床层；并且所述方法进一步包括以下步骤：在去除该压缩力之前，在该至少一个基本复合聚合物/吸附体结构处于粘附状态的同时，允许该成品床层至少部分地干燥，以便实现该至少一个基本复合聚合物/吸附体结构的固定，即使在去除该压缩力时也是如此。12.一种吸附器，包括根据权利要求1的方法制成的吸附体床层结构，其中，该吸附体床层具有床层填充率ρ
床层
，该床层填充率被定义为由该至少一个基本复合结构占据的体积V
基本复合结构
除以该吸附体床层结构的体积V
床层
，其中ρ
床层
大于0.60。13.如权利要求12所述的吸附器，其中，该至少一个基本复合聚合物/吸附体结构包括具有平均大尺寸D
maj
和平均小尺寸D
min
的被构造为珠粒或挤出物的多个基本复合聚合物/吸附体结构，其中Dmaj:D
min
的比率在1:1至小于20:1的范围内。14.如权利要求13所述的吸附器，其中，该吸附体床层被构造为径向吸附体床层，该吸附器进一步包括：具有入口和出口的圆柱形压力器皿；同心设置在该圆柱形压力器皿内的第一环形多孔栅格；同心设置在该第一环形多孔栅格内的第二环形多孔栅格，其中在该圆柱形压力器皿的内表面与该环形多孔栅格的外表面之间形成第一环带，并且在该第一环形多孔栅格的内表面与该第二环形多孔栅格的外表面之间形成第二环带；以气密方式密封该第二环带的底部的气密环形底板；以及以气密方式密封该第二环带的顶部的气密环形顶板，其中该吸附体床层结构包括该第一多孔环形栅格和该第二多孔环形栅格、该气密环形底板以及该气密环形顶板，并且其中该吸附器被适配并构造成使得：进给到该圆柱形压力器皿的该入口的包含第一组分和第二组分的进料气体流动进入该第一环带，通过该第一环形多孔栅格，并且进入被构造为珠粒或挤出物的该多个基本复合聚合物/吸附体结构，在该多个基本复合聚合物/吸附体结构处，该进料气体的第一组分与该进料气体的第二组分相比优先地被该至少一个基本复合结构吸附；并且与该进料气体相比富含该第二组分且缺乏该第一组分的气体流动通过该第二环形多孔格栅并且离开该圆柱形压力器皿的该出口。15.如权利要求13所述的吸附器，其中，该吸附体床层被构造为轴向床层，该吸附器进一步包括：具有入口和出口的压力器皿；跨该压力器皿的横截面延伸的第一多孔栅格；以及平行于该第一多孔栅格的跨该压力器皿的横截面延伸的第二多孔栅格，其中：被构造为珠粒或挤出物的该多个基本复合聚合物/吸附体结构填充该第一多孔栅格与
该第二多孔栅格之间的空间，使得该吸附体床层结构包括该第一多孔栅格的上表面、该第二多孔栅格的下表面以及该压力器皿在该第一多孔栅格与该第二多孔栅格之间延伸的内表面。16.如权利要求12所述的吸附器，其中，该至少一个基本复合聚合物/吸附体结构中的每一者被构造为具有长度L和直径D的纤维，其中L:D的比率为至少20:1。17.如权利要求16所述的吸附器，其中，该吸附体床层被构造为径向床层，该吸附器进一步包括：具有入口和出口的圆柱形压力器皿；同心设置在该圆柱形压力器皿内的第一环形多孔栅格；同心设置在该第一环形多孔栅格内的第二环形多孔栅格，其中在该圆柱形压力器皿的内表面与该环形多孔栅格的外表面之间形成第一环带，并且在该第一环形多孔栅格的内表面与该第二环形多孔栅格的外表面之间形成第二环带；以气密方式密封该第二环带的底部的气密环形底板；以及以气密方式密封该第二环带的顶部的气密环形顶板，其中该吸附体床层结构包括该第一多孔环形栅格和该第二多孔环形栅格、该气密环形底板以及该气密环形顶板，并且其中该吸附器被适配并构造成使得：进给到该圆柱形压力器皿的该入口的包含第一组分和第二组分的进料气体流动进入该第一环带，通过该第一环形多孔栅格，并且进入被构造为纤维的该多个基本复合聚合物/吸附体结构，在该多个基本复合聚合物/吸附体结构处，该进料气体的第一组分与该进料气体的第二组分相比优先地被该至少一个基本复合结构吸附；并且与该进料气体相比富含该第二组分且缺乏该第一组分的气体流动通过该第二环形多孔格栅并且离开该圆柱形压力器皿的该出口。18.如权利要求17所述的吸附器，其中，所述纤维包括平行于该吸附器的轴线布置的多根纤维。19.如权利要求17所述的吸附器，其中，所述纤维包括围绕该第二环形多孔栅格螺旋包裹的一定长度的纤维。20.如权利要求16所述的吸附器，其中，该吸附体床层被构造为轴向床层，该吸附器进一步包括：具有入口和出口的压力器皿；跨该压力器皿的横截面延伸的第一多孔栅格；以及平行于该第一多孔栅格的跨该压力器皿的横截面延伸的第二多孔栅格，其中：该至少一个基本复合聚合物/吸附体结构被构造为多根纤维，该多根纤维中的每一根垂直于该第一多孔栅格和该第二多孔栅格延伸；并且该多根纤维填充该第一多孔栅格与该第二多孔栅格之间的空间，使得该吸附体床层结构包括该第一多孔栅格的上表面、该第二多孔栅格的下表面以及该压力器皿在该第一多孔栅格与该第二多孔栅格之间延伸的内表面。21.如权利要求12所述的吸附器，其中，该至少一个基本复合聚合物/吸附体结构被构造为由经纱纤维和纬纱纤维织造而成的织物，这些经纱纤维和纬纱纤维中的每一者具有长度L和直径D，其中L:D的比率为至少20:1。22.如权利要求21所述的吸附器，其中，该吸附体床层被构造为径向床层，该吸附器进一步包括：具有入口和出口的圆柱形压力器皿；同心设置在该圆柱形压力器皿内的第一环形多孔栅格；同心设置在该第一环形多孔栅格内的第二环形多孔栅格，其中在该圆柱形压力器皿的内表面与该环形多孔栅格的外表面之间形成第一环带，并且在该第一环形多孔栅格的内表面与该第二环形多孔栅格的外表面之间形成第二环带；以气密方式密封该第二环
带的底部的气密环形底板；以及以气密方式密封该第二环带的顶部的气密环形顶板，其中该吸附体床层结构包括该第一多孔环形栅格和该第二多孔环形栅格、该气密环形底板以及该气密环形顶板，并且其中该吸附器被适配并构造成使得：进给到该圆柱形压力器皿的该入口的包含第一组分和第...

【专利技术属性】
技术研发人员：菲利普，
申请(专利权)人：液体空气先进技术美国有限责任公司，
类型：发明
国别省市：