[发明专利]分离氮和弱极性化合物的方法

说明书

本发明涉及一种从一种含有弱极性气体的气体混合物中分离出氮气的新方法。

空气中的气体分离成氮气和氧气再加上氩气是一种现有技术，该技术利用气体对于沸石分子筛的不同的吸附性质。该方法公认为PSA或“变压吸附”，该变压吸附利用压力差以为：

1-在高压下吸附氮气以使气相富氧，

2-在低压下解吸氮气以再生沸石的吸附性能。

PSA法分成三种类型：

-所述高压高于大气压且所述低压高于或等于大气压；例如，高压为近似3b(巴)绝压，和低压为近似1b(所谓的超计大气压或PSA方案)；

-所述高压高于大气压，例如1.5b的数量级，和所述低压低于大气压，例如0.5b的数量级(所谓的跨大气压方案或真空变压吸附)；

-所述高压低于1.2b且所述低压低于大气压，例如高压近似1.1b且低压近似0.25b(低于大气压方案或真空变压吸附)。

在本说明书中PSA方法的引用是指这三类方法，并不进行区分。

现有技术中所述的用于从含氮气的气体混合物中分离出氮气的PSA方法的吸附剂主要是A型或X型的沸石，该沸石与碱金属或碱土金属阳离子或一些其它二价阳离子进行交换。

-专利McKee US3140932描述了使用沸石CaX(与Ca阳离子交换的沸石X)、SrX、BaX和NiX，

-专利McKee US 3140933，Chao US4559217和Kirner US5268023推荐使用沸石LiX，

-专利Coe US 5152813和Chao US5174979描述了使用一种与Li和Ca交换的沸石X，

-专利Coe US 5258058推荐使用与Li和一种选自Ba、Co、Cu、Cr、Fe、Mg、Mn、Ni、Zn的阳离子交换的沸石X。

现有文献研究的是大多关于用沸石5A从空气中吸附气体(例如参见著作：D.M.Ruthven“吸附原理和吸附方法”1987，JohnWiley & Sons 1984；R.T.Yang“通过吸附方法进行气体分离”Buterworths 1987；R.M.Barrer“作为吸附剂和分子筛的沸石和粘土矿”，Academic Press 1978；M.Suzuki“吸附工程”，1990)

吸附剂的选择基于沸石在高压下吸附大量氮气并在降低压力后将其解吸的能力；该差压吸附性(或“进排气”)限定了每个周期处理的气体量，以及时空产率。

到目前为止非X和A型沸石一直被认为一般不适合于通过PSA分离氮气，因为其等温线的曲率过高，这妨碍了在低压下解吸。这样，专利Coe US 4925460明确解释由于等温线形状不合适，Ca-菱沸石不适合用于PSA。专利Leavitt US 507 4892也描述很有必要使氮气在循环的低压吸附性减至最小。

这样，现有技术推荐按照氮气吸附性选择沸石，所述吸附性在循环的高压时尽可能地高并且在循环的低压时尽可能地低。

除了氮气吸附性外，另一个定性描述PSA法中的高性能沸石的确定因素是氮气和氧气之间的沸石吸附性差别，即沸石的选择性。该选择性以下述关系式表示：

S＝Q_N2/Q_O2^*P_O2/P_N2

其中Q_N2表示在氮气分压P_N2下吸附的氮气量，

和Q_O2表示在氧气分压P_O2下吸附的氧气量。

按照氮气吸附性和选择性尺度，到目前为止，一直认为只有沸石A、X和与锂交换的菱沸石能被用于工业规模的PSA过程。

在本领域的目前状况下选择性是一个很难计算的量。

一种已知的改进沸石吸附性的方法包括降低吸附温度。

例如，专利EP122874描述了通过在低于环境温度下使用沸石NaX的PSA法由空气生产氧气。与在环境温度下使用普通的沸石5A相比，这种方法能够通过降低温度到-30℃来提高PSA法的功效。

表明低温的优点的其它文献例如Izami等人的“低温和低压PSA高效分离氧气”，AIChE，San Francisco，1989年11月，描述了PSA中5种沸石的作为温度的函数的效能的测量，按照沸石，确定最适宜温度在0℃与-15℃之间。

专利US 3973931能够确认低温可以在PSA操作塔中自动达到。