速率提高的PSA工艺制造技术

在ＶＰＳＡ气体分离中，对于快速循环浅吸附室，通过高特征吸附速率与适当选择颗粒尺寸的组合效应，能实现高产物回收率和低ＢＳＦ。（*该技术在2021年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及使用具有高特征吸附速率的吸附剂的压力摆动吸附(PSA)工艺。更具体地说，本专利技术涉及快速循环浅吸附室达到高产物回收率和低床尺寸因子(BSF)的PSA工艺。
技术介绍
三十多年来，用于空气分离的各种PSA，VSA和VPSA工艺进展很大，主要进展出现在近十年间。这类工艺的工业化及生产范围的不断扩大主要可归功于吸附剂和工艺循环的改进，而吸附室设计方面的进展对此贡献较少。高交换锂分子筛吸附剂，如Chao在美国专利4,859,217中所述，是生产氧所用先进吸附剂的代表。上述这类先进吸附剂是平衡性能改进的结果。提高轻组分产物的工艺效率和降低成本，能通过减少所需的吸附剂用量和提高产物回收率来实现。前者一般以床尺寸因子(BSF)表示，单位为磅吸附剂/TPDO(每天的含O2吨数)，而后者只不过是进料(例如空气)中被捕获为产物的轻组分(例如氧)的分数。吸附剂的改进和循环时间的缩短是减小BSF的两种主要方法。虽然较短的循环导致较短的床和较高的吸附剂利用率，但产物回收率一般不理想，除非提高吸附速率。该现象能理想地用传质区(MTZ)的尺寸表征，即随床深度的减小，传质区在吸附剂床中的分数增加。由于吸附剂对重组分(例如氮)的利用率在MTZ中比在平衡区内低得多，因此随该分数的增加，工作效率降低。在从进料流中除去较低浓度污染物是基于污染物与吸附剂具有较高平衡亲和性的单个长吸附步骤中，颗粒尺寸对MTZ尺寸的影响在概念上直截了当。当吸附物/吸附剂组合的特征在于良好的等温线时，可以预见一个以恒速通过吸附室的稳态传质区。在此过程中可明确区分出平衡区与传质区。在这样的条件下，而且当传质阻力主要受粒内孔隙扩散控制时，就一直认为减小吸附剂颗粒尺寸就会提高吸附速率并缩小传质区。遗憾的是，穿过吸附剂床的压降随颗粒尺寸的减小而提高，并导致颗粒难以留在床内且增加了流化的倾向。当恒温不良和/或传质区不断发展或蔓延在整个吸附步骤中时，这一理想化概念便变得模糊不清了。为产生一个完整的吸附工艺循环而加进解压、解吸附和加压等其它次要步骤，会进一步使传质区的行为与特性复杂化。尽管如此，在先有技术中一直用MTZ的理想化概念作为实现工艺性能改进的基础。Ackley等(WO 99/43416)已在PSA空气分离工艺中通过提高吸附速率和增大传质系数而获得提高的性能。这是通过使用高效孔扩散率(DP≥5×10-6m2/s)的吸附剂与短循环时间和浅床结合起来实现的。Ackley等(WO 99/43418)将此概念扩展到低压比循环。Jain(美国专利5,232,474)公开了以减小吸附剂体积和/或提高产物纯度而提高的吸附剂利用率，其中描述了用压力摆动吸附工艺(PSA)在深冷空气分离之前除去H2O和CO2。吸附室完全由氧化铝或氧化铝层与13X分子筛吸附剂层构成。用较小的颗粒(0.4mm-1.8mm)达到了较小的床体积。Umekawa(日本专利申请号59004415)表明，使用大颗粒深层(3.2mm)，接着是小颗粒浅层(1.6mm)的同种吸附剂，可以用较低的压降和较小的吸附室来纯化空气。这种层叠式构型的床尺寸和压降比全由3.2mm或全由1.6mm颗粒构成的床都要低。在层叠式构型中，1.6mm颗粒只占传质区的一小部分(低浓度部分)。Miller(美国专利号4,964,888)已提出，在平衡区使用较大颗粒(＞14目或1.41mm)而在传质区使用小颗粒(＜14目)。这样能减小MTZ尺寸，同时尽量减小两个区都用小颗粒时会出现的压降的过度增加。此专利中示出大于30s的循环吸附工艺时间。Garrett(英国专利申请GB 2 300 577)公开了一种吸附设备，它含尺寸为6目(3.36mm)-12目(1.68mm)的颗粒，或分布在分立层，或以尺寸梯度分布，在这两种构型中都是最大颗粒位于吸附室进料入口附近和最小颗粒位于吸附室下游出口附近。对于一类以快速循环和高比压降为特征的，称为快速压力摆动吸附(RPSA)的特殊工艺，必须用极小的吸附剂颗粒(0.1mm-0.8mm)。典型的RPSA工艺具有高进料速度下操作的极短进料步骤(常短于1.0s)，包括进料步骤之后的一个流动悬浮步骤，且总循环时间一般小于20s(常小于10s)。该吸附步骤的行为远远偏离上述理想化MTZ概念。事实上，在RPSA中，床的工作部分主要是传质区，而只有较小的平衡区(与进料条件平衡)。吸附室的主要部分与产物平衡并提供产品储存功能。为建立连续操作以生成产物的床的优化渗透性和内部吹扫，高压降(12psi/英尺)/短循环的组合是必须的。使用5A分子筛的RPSA空气分离工艺，已由Jones等(美国专利4,194,892)对单床和Earls等(美国专利4,194,891)对多床作了描述。Jones还提出用多种吸附剂分离C2H4/N2，H2/CH4，H2/CO和H2/CO/CO2/CH4的RPSA。RPSA系统在机械上一般比传统的PSA系统简单，但传统PSA工艺一般都具有较低的功率，更好的床利用率和较高的产物回收率。在一个略偏离原始RPSA的工艺中，Sircar(美国专利5,071,449)公开了一种与单个柱状容器内所含吸附剂层的分段构型相关的方法。一对或多对吸附剂层的安排使给定对中各层的产物终端彼此面对面。在循环中，一对中的两个分离层彼此异相操作。目的是为了使来自一层的部分产品吹扫相对层，清扫分数由置于层间的物理限制和/或穿过一层的总压降(200psig-3psig)控制。给出的规范很宽颗粒尺寸范围为0.2mm-1.0mm，总循环时间为6s-60s，吸附剂层深为6-48英寸以及进料流率为1-100磅摩尔/小时/英尺2。建议用一种任选的双峰颗粒尺寸分布以减少颗粒间的孔隙体积。据称该方法适用于空气分离、干燥和H2/CH4，H2/CO和H2/CO/CO2/CH4分离。Alpay等(Chem.Eng.Sci.，1994)对5A分子筛的几个颗粒尺寸范围(0.15mm-0.71mm)的RPSA空气分离，研究了进料压力、循环时间、进料步骤时间/循环时间之比和产物输运速率的影响。其研究结果表明，当吸附剂颗粒太小或太大时工艺性能受到限制。这是因为在颗粒尺寸范围的较小端，受无效压力摆动、低渗透率和高传质阻力(因轴向分散)的限制，而在颗粒尺寸范围的较大端，受由颗粒尺寸引起的高传质阻力的限制。Alpay发现，尺寸范围为0.2mm-0.4mm的颗粒，分离效率最高(最高的O2纯度和吸附剂生产率)。RPSA显然是一种特殊和不同类型的吸附工艺。与传统的PSA相比，RPSA最突出的特点可以用空气分离产生O2来描述。在RPSA，单位床长的压降高一个数量级或更大，而吸附剂颗粒直径通常小于0.5mm。在RPSA中，总循环时间一般较短且工艺步骤不同。在这些不同的特点中，压降和颗粒尺寸构成最主要的差别。其它专利建议在传统PSA工艺中采用小颗粒。Armond等(英国专利申请GB 2 091 121)公开了一种空气分离的超高气压PSA工艺，其中将短循环(≤45s)与小颗粒(0.4mm-3.0mm)结合起来，以降低床加工动力和吸附剂尺寸。在15s-30s的优选循环时间和0.5mm-1.2mm的颗粒尺寸下，生产了纯度为90％的氧。Hirooka等(美国专利5,122,164)本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种从气体混合物中分离优选气体的方法，所述混合物含优选气体和其它次优选气体，所述方法包含让气体混合物在吸附剂上方通过，吸附剂对氮的传质系数（ＭＴＣ）Ｋ↓［Ｎ２］≥１２ｓ↑［－１］，在１．５巴和３００Ｋ测定时，对Ｎ↓［２］的特征速率ε↓［Ｐ］Ｄ↓［ＰＮ２］≥１．１×１０↑［－６］。

【技术特征摘要】
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【专利技术属性】
技术研发人员：MW阿克利，J斯莫拉雷克，
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]