用高本征扩散率吸附剂及低压力比的变压吸附气体分离法制造技术

构成本发明专利技术的一种气体分离方法使高本征扩散率的吸附剂的应用与低压力比的ＰＳＡ循环结合一起。对该方法的进一步强化是由于利用快速循环、浅层床及小颗粒－尤其在径向床结构中的结果。现已证实低压力比、高速率吸附剂及快速循环的结合，导致出乎意料的床尺寸因子（ＢＳＦ）与能耗同时降低。这些效果是通过用高速率吸附剂使产物回收率降低得最少而获得的。最终结果是产品成本显著降低。（*该技术在2019年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及气体分离中的变压吸附(PSA)及真空变压吸附(VPSA)方法，更具体地说涉及通过采用低压力比和使用高本征扩散率吸附剂使氧产品成本降低的一种空气分离的方法。
技术介绍
过去三十多年来，真空变换吸附(VSA)、PSA及VPSA方法用于气体分离已取得显著发展，而主要进展是在近十年取得的。这些方法已分别被称为负压法、超大气压法及过渡大气压法。除专门说明外，以下都用PSA表示任何或所有这些方法。吸附剂改善、过程循环及吸附塔设计的进展，都促进了这些方法的商业化。高交换的锂分子筛吸附剂，如赵在US 4，859，217中所述，是氧气生产中最新吸附剂的代表。这种最新吸附剂价格昂贵，而且使PSA设备投资费用占显著部分。PSA方法总能量需求中一个主要因素是吸附对脱附的压力比。降低这个压力比是一种可能降低能耗的方法。此外，缩短PSA的循环时间有可能减少所需吸附剂的用量。不幸的是，这两种对策的通常结果是使产品(如氧气)回收率下降。尝试在低压力比下进行操作，却伴随吸附剂生产能力明显下降，如李威特(Leavitt)US 5，074，892所述。斯莫拉瑞克(Smolarek)在共同未决US专利申请No．--------(代理案号No．D-20335)中通过对真空及压缩机的适当选择及操作，结合改善径向流吸附塔的流动特性，克服了某些低压力比的抵消效应。阿克利(Ackley)等人在共同未决US专利申请No．--------(代理案号D-20393)中已经指出，通过在快速循环中采用高本征扩散率的吸附剂，能使产物回收率及吸附剂生产能力达到最大。尽管下述的本专利技术可广泛应用于气体分离，但以生产高纯度氧气为目的的PSA空气分离工艺(约88-95．7％氧)是尤其引人注意的。以下所讨论的已有技术的空气分离反映了氧气纯度范围。上述最新类型的吸附剂属于改善平衡特性的结果。吸附剂对N2吸附容量及N2／O2选择性的提高已被转换成工艺有效性上的巨大收益---但这种好处是以较高吸附剂的成本为代价而获得的(见斯莫拉瑞克等人著，气体分离技术，1990)。尤其，锂交换沸石吸附剂(LiX)对PSA空气分离工艺的发展已产生重大影响。对于较高性能的空气分离PSA方法最近已经利用了由于低SiO2／Al2O3，比的高交换LiX沸石所达到较高对N2吸附容量和N2／O2选择性。对这些方法的其它主要改进已包括引入真空脱附、由三床及四床方法减为二床循环，和利用改进的循环步骤，诸如产品增压、吹扫及／或平衡。库玛尔(Kumar)(在“真空变换吸附方法生产氧气---历史展望”，分离科学与技术，31877-893，1996中)已对氧气生产的这些和已有技术进展进行了综述。提高方法的有效性及降低轻组分产品的成本，可通过降低单位产品所需吸附剂量(提高吸附剂的生产能力)和增加产品回收率的方法来实现。提高吸附剂生产能力一般用术语床尺寸因子(BSF)表示，即磅吸附剂／TPDO(每日含氧吨)，而产品回收率就是由进料中所获取作为产品的轻组分的分数。吸附剂的改善和循环时间的缩短是降低BSF的两个主要方法。许多已有技术都注意方法的最优化。雷斯(Reiss)强调了(化学工业，XXXV，第698页，1983)在空气氧富集的真空方法(VSA)中吸附剂质量和高氧回收率的重要性。雷斯指出，对固定的吸附压力在脱附压力增加时，有一比真空泵能耗的最低值。更具体地说，单位产氧的功率初期随压力比降低而下降，然后再增加，以至对最小比能耗有一最佳压力比。与降低压力比对比泵功率的影响同样作用的因素是氧产品量均匀下降或吸附剂生产能力的下降。斯莫拉瑞克(Smolarek)等人(气体分离技术，1990)通过降低投资费用及功率消耗，达到了降低单位氧产品成本的目的。按照最新吸附剂的特性提出了工艺操作参数。尽管选择最佳循环时间是根据最低成本，但采用缩短循环的方法来缩小床尺寸。在循环缩短时，按照在缩小床尺寸与降低过程有效性之间折衷确定该最低成本。也已表明，两吸附剂床都是最佳的。较低的总能耗是由于提高氧回收率、减少吸附剂藏量及缩小设备尺寸的综合结果。最佳压力比的降低是由于最新吸附剂所致。吸附剂类型(LiX)、BSF(1000磅／TPDO)及压力比(6∶1)最初在刊物上并未提供。在已有技术中，方法最佳化利用了改善后的吸附剂平衡特性，其N2吸附容量较高及N2／O2选择性较高，从而使利用真空脱附方法达到较高的总产品回收率。提高脱附压力(降低压力比)以降低能耗。缩短循环时间以保持床尺寸及吸附剂成本。达到最低压力比并不是最佳化的主要目的。的确，压力比的降低受到了伴随床尺寸增加和产品回收率降低的限制。在已有技术中，对应于“最佳性能”的最低压力比是5∶1或更高一些。许多已有技术都注意通过循环步骤的改进来不断提高工艺方法的有效性。巴克斯(Baksh)等人就给出了这种改善的一个好实例(US5，518，526)。在达到较低能耗中，低压力比的可能好处一般由于BSF较高和产品回收率较低副作用而受到限制。虽然平衡性质改善了的吸附剂可以在较低压力比下使工艺方法得到改善，但降低至临界或极限压力比以下，对使用最新高成本的吸附剂的工艺会产生更严重的影响。换句话说，由于压力比较低，出现吸附剂藏量增加，对工厂资本投资会有显著影响。凯舍尔(Kayser)及克耐贝尔(Knaebel)对5A及13X吸附剂的临界或极限压力比在理论上给予了定义(化学工程科学，41，2931，1986；化学工程科学，44，1，1989)。压力比较高时O2回收率／压力比特征较为平缓(几乎回收率不变)，但在临界压力比以下，表现回收率急剧下降。临界压力比取决于吸附剂类型、也取决于工艺操作条件，这些极限在实际应用中尚未很好定义。然而，回收率下降的趋势一般都不鼓励于在压力比低于约4∶1下进行PSA O2工艺操作。最近，雷吉及扬等人(工业工程化学研究，365358-5365，1997)提出了对LiX沸石的极限，揭示了对LiX的O2回收率／压力比特征，类似于早期由其它人对13X及5A吸附剂所作定义。雷吉及扬等人的理论结果提示对真空变换方法压力比低至2∶1会有少量O2回收率损失。他们认为其性能是由于该吸附剂优异平衡特性所引起，并指出对于它们循环的最低最佳BSF应为18公斤／公斤氧小时(1500磅／TPDO)。在理论模型中，吸附剂床压力降及吸附剂的扩散阻力都是被忽略了的。分析中不考虑能耗。李威特(Leavitt在US 5，074，892中)提出了对具有最新吸附平衡特性的吸附剂，如LiX、苛性煮解的NaX，O2生产循环的低压力比范围在1．4-4．0。李威特的主要动机是通过降低能耗来降低总工艺成本。李威特注意到了吸附剂具有高N2吸附容量及高N2／O2选择性的重要性，指出在低压力比下需要达到较高的产品回收率以限制BSF的增加。并建议在低压力比下较大量的吹扫可部分抵消对N2较低吸附容量的影响。尽管指出的能耗降低令人印象很深，但随压力比的下降，BSF却大大增加。李威特没有考虑吸附剂本征扩散率对工艺性能的影响。斯莫拉瑞克(Smolarek)在共同未决的US专利申请No．--------(代理案号D-20335)中曾提出一种两床VPSA的O2循环，利用单段真空装置。吸附压力范围在1．3-1．6大气压，脱附压力在0．4-0．本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种变压吸附方法包括重复Ｎ步骤的循环，所述方法适用于选择性地将第一组分吸附于吸附剂床中，使气体混合物中的组分分离为至少第一组分和第二组分，所述方法包括步骤： ａ）、在循环的吸附步骤中，提高进入所述床的气体进料压力至吸附压力，使所述吸附剂能够吸附所述第一组分，该吸附剂对第一组分的本征扩散率等于或大于３．５×１０↑［－６］平方米／秒； ｂ）、在所述循环的脱附步骤中，降低该床的压力至脱附压力，使所述第一组分从该吸附剂上脱附下来，所述吸附压力对脱附压力之压力比处于优选５．０以下的范围。

【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斯默拉雷克，
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]