PSA预纯化器制造技术

本发明专利技术包括一种用于除去进料气流中存在的杂质的ＰＳＡ气体预纯化器。本发明专利技术的预纯化器有一吸附材料床，包括至少两种不同的吸附剂层，至少一种所述吸附剂相对较强，至少另一种所述吸附剂相对较弱。（*该技术在2017年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

本专利技术一般地涉及变压吸附(PSA)空气分离方法和系统。具体地，涉及PSA空气预纯化。深冷空气分离设备的操作需要大量预处理过的空气。为防止设备的冷进料端冻结，杂质如CO2和H2O的浓度必须低于1ppm。此外，在深冷液体中溶解度低的那些烃如乙炔和某些C3-C8烃的浓度必须保持非常低，典型地低于1ppb，以消除任何安全性危险。目前在空气预纯化应用中使用变温吸附(TSA)和变压吸附(PSA)。TSA预纯化器使用相当少量的热吹扫气再生吸附床。典型的吹扫气与进料之比≤10％。它们在从空气进料中除去主要杂质如CO2、H2O和大多数烃方面极有效。进料中所含任何CO和H2一般被带入产品中。如果必须除去CO和H2，则通过催化转化相继进行CO和H2的氧化。由于在解吸期间在TSA预纯化器中可获得大量热驱动力，所以使用强吸附剂如5A或13X沸石。使用这些吸附剂，操作负载和主要杂质的选择性使CO2在乙炔和对深冷空气分离设备的操作有害的其它烃(如C3至C8)之前穿透至产品物流中。为增加这些吸附剂的能力，通常使进料气冷却。虽然TSA方法有相对低的吹扫气与进料之比，但必须加热吹扫气和冷却进料，均导致设备的投资和操作成本增加。PSA预纯化器用环境温度的吹扫气再生吸附床。典型的吹扫气与进料之比为40-60％。由于在解吸期间的驱动力较低，所以使用较弱的吸附剂如活性氧化铝。虽然这些吸附剂的操作负荷比沸石的低，但它们仍是很高的。此外，我们发现使用活性氧化铝时，C2H2在CO2之前穿透至产品物流中。这导致用该预纯化器的产品作为进料的深冷空气分离工艺的操作条件很危险。此外，虽然PSA预纯化器的投资成本低于TSA，但总的能量需求可能较高。特别地，PSA循环在吸附床减压期间泄料需要耗能。这与TSA循环相比是很显著的，因为TSA法每3至6小时循环一次，相反PSA法每15-30分钟循环一次。基于以上考虑，该领域需要设计一种PSA吸附剂床，其有利于活性氧化铝解吸的特性，还有与吸附较强的沸石相伴的乙炔选择性和负荷。此外，需要使泄料损失最小以降低操作功率。已提出几种可选方案。Hitachi在DE3045451中公开了一种两床吸附剂系统。第一吸附剂是用于吸附高浓度H2O和CO2的13X，从而抑制氮气的共吸附。第二吸附剂是不很强地共吸附氮气的活性氧化铝，用于完成H2O和CO2的吸附。通过使床中的氮气共吸附最少，也使减压期间的泄料损失最小。Kumar在US4711645中描述了一种PSA预纯化器，用活性氧化铝吸附H2O和用13X吸附CO2。用活性氧化铝吸附H2O导致进料中的温升比整个床均使用13X的低。这增加了13X区吸附CO2的效能。Kumar建议用于第二区的其它沸石是5A、CaA、CaX和Na-丝光沸石。Jain在US5232474中也使用活性氧化铝层，然后是13X层。其权利要求书中用活性氧化铝层吸附所有的H2O和大部分CO2。下游13X层的用途是从气流中除去烃和残余的CO2。特别地教导该13X层不用于除去大量CO2。该PSA循环设计用含有较小直径吸附剂球的吸附床操作且没有常规的均压步骤。鉴于以上情况，本专利技术的目的之一是提供一种改进的预纯化方法和系统。本专利技术的另一目的是提供一种适应性强的PSA预纯化方法和系统，与现有的系统相比可更有效地除去杂质。本专利技术的另一目的是提供一种比现有系统需要的能量少的PSA预纯化方法和系统。本专利技术的另一目的是提供一种可安全地在本文所述条件下操作的PSA预纯化方法和系统。本专利技术包括一种用于除去进料气流中存在的水和其它杂质的PSA气体预纯化器。本专利技术的预纯化器有一吸附材料床，包括至少两种不同的吸附剂层，对于所述水和其它杂质的吸附而言，至少一种所述吸附剂相对较强，至少另一种所述吸附剂相对较弱。在优选的实施方案中，相对较强的吸附剂是NaY，相对较弱的吸附剂是活性氧化铝。由以下优选实施方案的描述和附图，本领域技术人员将想到其它目的、特征和优点，其中附图说明图1是本专利技术实施方案的示意图。本文所述PSA预纯化器的吸附剂床提供增强的性能(例如吸附步骤的时间较长和泄料损失较小)，导致更有效地除去杂质。此外，由于本专利技术的系统和方法中CO2在C2H2之前穿透吸附床进入产品物流中，因此提供更安全的操作条件。最后，我们的试验表明该方法可适用于宽范围的操作条件(包括吸附压力和进料温度)。本专利技术可以下面所述的方式进行。本专利技术的要素是使用两种分开的有不同性能的吸附剂层，从而获得比所述两种吸附剂之任一分别实现的分离更好和成本更低的性能。基于较强吸附剂的该方法热效应被缓和，从而改善该吸附剂的吸附和解吸性能，使该循环自清洗所需吹扫气量减少。我们应注意术语“自清洗”在本领域一般理解为意指循环期间吸附质被充分吹扫以致它们的平均残余负荷如滞留在吸附剂上的吸附质量不随时间增加的状况。一般认为NaY与吸附剂如13X、5A、CaA、CaX和Na-丝光沸石相比是弱吸附剂。例如，其对N2、O2和CO2的吸附能力是13X的一半。这意味着NaY将比这些较强吸附剂的泄料损失低，需要较少的吹扫。然而，与活性氧化铝相比，NaY是强吸附剂。我们的等温穿透试验表明NaY对乙炔的平衡能力为活性氧化铝的约10倍。此外，在PSA预纯化器的进料中的浓度下NaY将优先吸附乙炔优于CO2。这些浓度典型地低于1ppm。可惜，这些试验也表明为使乙炔有效解吸NaY比活性氧化铝需要更多的吹扫气。在泄料(blowdown)期间发生温度变化的绝热床中增加的吹扫需求甚至更大。基于上述特性，本专利技术包括在床内不同层或区中使用相对较强的吸附剂(优选NaY)和相对较弱的吸附剂(优选活性氧化铝颗粒)。在优选实施方案中，所述较强的吸附剂位于床的较热产品端。这通过减少进料步骤期间氮气的共吸附和降低解吸所需吹扫气量缓和PSA方法的热效应。此外，在含有20％NaY的层中，该层状床的穿透能力将大于纯活性氧化铝层的两倍。所有这些特征都对PSA预纯化循环的操作成本有有益影响。此外，相对较强的吸附剂对所述乙炔或C3-C8烃至少之一而言是自清洗的，比13X所需吹扫气少。上述实施方案示于图1中。在该图所示的床中，活性氧化铝层用于除去进料气流中的大部分H2O和CO2，较小的NaY层用于除去进料中残余的杂质。流体流动方向由箭头指示。图1示出本专利技术的PSA预纯化器的吸附剂床。在图1中，下端板(header)填充惰性陶瓷球7，起流动分布和床支承的作用。不锈钢筛网8支承吸附剂床。该床本身由两层组成。较大的下层是活性氧化铝9；较小的上层是NaY10。上床表面由第二不锈钢筛网11限制，筛网11靠填充上端板的另一层陶瓷球12固定就位。可使端板空间内的陶瓷球12渐次变化以提供改善的分布。在本专利技术的操作中，选择合适的吸附剂用于床的产品端是本专利技术的关键。所选吸附剂必须强吸附乙炔和其它烃，它必须对烃有优于CO2的选择性，以致CO2总是在这些对操作有害的烃(如乙炔)之前穿透该床。此外，在工艺操作条件下它应不是N2或O2的强共吸附剂。如果有，在减压期间不排除冷却，因为吸附产生热量。这将导致解吸步骤期间吸附质更强地保留在吸附剂上，从而需要较多的吹扫气。在用活性氧化铝除去大部分CO2和H2O的PSA预纯化器的热(产品)端使用适当尺寸的NaY层，显著改善了该循环的经济本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种变压吸附气体纯化器，用于在高吸附压力下吸附进料气流中存在的杂质和在低解吸压力下解吸所述杂质，所述纯化器包括：一吸附容器，包含能在高吸附压力下选择吸附所述进料气流中存在的所述杂质和在低解吸压力下解吸所述杂质的吸附材料床，所述吸附容器有 用于加入所述进料气流的进料端和用于从中回收纯化的进料气的产品端，其中所述吸附材料床包括至少两层吸附剂，对于所述杂质的吸附而言，至少一种所述吸附剂相对较强，至少另一种所述吸附剂相对较弱，其中所述相对较强的吸附剂优先吸附乙炔或Ｃ３－Ｃ８烃至少之一优于ＣＯ↓［２］，和其中所述相对较强的吸附剂对所述乙炔或Ｃ３－Ｃ８烃而言是自清洗的，比１３Ｘ吸附剂所需吹扫气少。

【技术特征摘要】
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【专利技术属性】
技术研发人员：FW莱维特，
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]