[发明专利]改进的碳分子筛吸附剂

说明书

本文公开从N₂和/或Ar中分离O₂的快速循环变压吸附(PSA)的方法。该方法使用碳分子筛(CMS)吸附剂，所述吸附剂具有通过线性驱动力模型在1atma和86°F测定的至少5的O₂/N₂和/或O₂/Ar动力学选择性和至少0.2000的O₂吸附速率(1/s)。

技术领域

本发明涉及使用碳分子筛(CMS)吸附剂从N₂和/或Ar中分离O₂的快速循环变压吸附(PSA)的方法。

背景技术

长期以来，PSA方法一直用于分离空气成分。几十年来，已知使用碳分子筛(CMS)吸附剂来分离各种气体混合物(Walker,Jr.,P.L.,“Molecular Sieves”,MineralIndustries,1966)。

碳分子筛(CMS)吸附剂通常来自加工不同的原料，如植物产物(废木材料、椰子壳、核桃壳、果核)、矿物煤、废矿物油、废树脂等多种方法(美国专利No.3,801,513；美国专利No.4,458,022；Nakao,Y.,“Control of Micro-pores of Molecular Sieving Carbon byImpregnation of Hydrocarbons and Heat Treatment”,Presented at 20^th SpringChemical Industrial Convention,1987)，其中最终微孔被细碳颗粒部分地阻塞，这些细颗粒使孔隙变窄或改变孔径分布，从而改变分子筛分性质。选择合适的原料，提供初始微孔结构并保持适当的工作参数(粘合剂类型、碳化时间和温度、烃类型和最终裂解浓度、开裂时间和温度、冷却过程中添加惰性气流等)是获得适合大小选择性分离的CMS吸附剂的关键因素。

US 4,742,040公开了几种制造碳分子筛的方法，该方法具有改进的容量和选择性，可用于从空气中分离氮气。US 5,098,880描述了制备碳分子筛的两步法，该碳分子筛具有更快的氧气动力学和高于氮气的氧气动力学选择性。US 5,164,355描述了一种制备高容量、高密度碳分子筛吸附剂的方法，该吸附剂可用作进一步改性的主体材料，以产生有效的氧气选择性碳分子筛。US 5,972,834公开了一种制造碳分子筛的方法，该方法适用于从空气中分离氧气和氮气，主要涉及卤化和脱卤处理，然后使用可热分解的烃(选自苯或甲苯)在碳化木炭(衍生自椰子壳或来自椰子壳)上进行孔隙调节处理。US 6,916,358公开了几种用于从含氮气和氧气的混合气体中分离氮气的碳分子筛吸附剂。

因此，如上所述，已经建立了用于生产碳分子筛(CMS)吸附剂和用于“调节”CMS的性质的方法，使得其显示出对氮气的氧气或氩气上的氧气的高动力学选择性。将选择性微孔引入吸附剂，其中孔口控制氧气、氮气或氩气的动力学。因此，该孔口或孔入口被认为是扩散的关键尺寸。这种微孔可以表现出非常高的选择性，但这通常以总吸附速率为代价来实现。因此，CMS吸附剂中的吸附速率与动力学选择性成反比关系。这种行为可以用Nguyen和Do提出的模型来解释(Nguyen,C.；Do,D.D.,“Dual Langmuir kinetic model foradsorption in Carbon molecular sieves”,Langmuir,volume 16,pages 1868-1873,2000)。

最近，人们对分离过程的强化产生了相当大的兴趣。在诸如PSA和TSA的循环装置中，缩短循环时间是从给定数量的材料实现更多生产的主要手段。然而，随着循环时间的减少，循环装置通常面临降低感兴趣组分的每循环工作容量，降低产物回收率和增加压降的问题。