[发明专利]高速率和高抗碎强度吸附剂

说明书

相关申请的交叉引用

本申请要求2007年3月8日提交的、系列号为60/905,737的美 国临时专利申请的优先权，通过引用将该申请的内容以其整体形式合 并至本文中。

技术领域

本发明大体涉及用在变压吸附(PSA)法、真空变压吸附(VPSA)法 和变温吸附(TSA)法中的高速率气体分离吸附剂。

背景技术

将气体由具有其他气体的混合物分离是重要的工业过程。在这种 过程中，目的可能是为获得特定气体被富集的(enhanced)产物气体，或 是为获得将不合需要的成分从特定气体除去而得到的产物。例如，存 在有工业规模的方法用来分离空气以获得氮、氧、和氩和用于空气预 纯化。

可使用吸附法，特别是变压型吸附法(PSA)和真空变压型吸附法 (VPSA)来实现吹气分离。在PSA法和VPSA法中，将压缩空气抽吸 通过吸附剂(对其中一种主要成分表现出吸附优先)的固定床，从而获 得富含未吸附的(或较少吸附的)成分的流出产物流。与低温法相比， 用于吹气分离的吸附方法需要相对简单的设备且相对容易维护。但 是，吸附方法通常比许多低温法具有更低的产物回收率。由于这个原 因，对吸附方法的改善仍然是重要的目标。改善的一种主要手段是发 现和开发更好的吸附剂。

改善吸附的一种方法是提高吸附剂材料(特别是用在PSA和 VPSA中的吸附剂材料)的传质速率。如果具有快传质速率，人们可获 得短的循环时间和低功率消耗，因而可在PSA/VPSA体系和方法中获 得高吸附剂生产率和高加工效率。已认识到，通过减小吸附剂聚集体 的粒度可能缩短循环时间。这种认识基于被吸附物移动通过附聚的吸 附剂颗粒的大孔所需的时间限制吸附/脱附循环时间的假设之上，即， 大孔扩散是吸附方法中的限速步骤。还已认识到，增加的孔隙率将改 善大孔扩散，而减少的粘合剂含量可导致增加的孔隙率。但是，使用 具有高抗碎强度的吸附剂也是合乎需要的。太少的粘合剂可导致产生 脆弱的吸附剂颗粒，其将在吸附剂床中坍塌，而太多的粘合剂将增强 吸附剂颗粒，但是可产生太密实的颗粒，导致产生很小的传质速率。

在本领域中有许多已知的吸附剂成分和制造方法用于吹气分离 方法和/或用于烃加工。例如，美国专利第5,053,374号(Absil等)描述 了使用胶态粘合剂(colloidal binder)制备用于催化应用(包括烃加工)的 沸石材料的挤出物。Absil等将“沸石”定义为多孔的晶体硅酸盐，其含 有作为主要的结构原子的硅和氧以及以较少量存在的其他成分(例如， 铝)。而且，胶态粘合剂优选为低酸度高熔点氧化物(硅、钛、锗和锆 的氧化物最为有用)，其用来降低催化剂的酸度和减少在烃转化过程中 的焦化。Absil等教导使用高粘合剂含量(例如35wt％二氧化硅)和螺旋 挤压来制造挤出物，以生产具有高压实水平的密实颗粒。

美国专利第3,296,151号(Heinze等)描述了结合有二氧化硅并由溶 胶-凝胶转化法(被设计来产生球形颗粒)制造的沸石颗粒。分子筛含量 应在50-90％之间且MgO(在成粒过程中用作为胶凝剂)的浓度应在 0.1-3％之间。Heinze等教导溶胶-凝胶转化和由小滴形成珠粒。

美国专利第5,120,693号(Connolly等)描述了尺寸范围为40-800 μm的分子筛附聚物，它是使用二氧化硅粘合剂形成的，其中二氧化 硅颗粒为5-20nm。喷雾干燥技术被用来制造这些小吸附剂颗粒且这 些分子筛被分类为高二氧化硅分子筛且具有大于18的SiO₂/Al₂O₃比 率。

美国专利第5,948,726(Moskovitz等)公开了吸附剂和/或催化剂， 其在存在酸的情况下用胶态氧化物粘合，酸是制备(formulation)的必要 成分且用来将粘合剂与吸附剂成分或催化剂成分交联。使用酸将粘合 剂交联至吸附剂可能有害于低二氧化硅沸石吸附剂(特征是 SiO₂/Al₂O₃比率小于或等于3，其比由Moskovitz等教导的较高二氧化 硅沸石具有更低的稳定性)的性能。被Moskovitz等认为是合适类型的 酸可损害或毁坏低二氧化硅沸石。