[发明专利]使用多层吸附床的改进的吸附方法和系统

说明书

本发明总的来说涉及基于气体混合物的组分间的不同极性和可极化性来通过吸附进行气体混合物的分离。更具体地说，本发明涉及变压吸附(PSA)分离方法，其中其固定吸附床包括至少两个区，每个区均含一种与相邻区的吸附剂不同化学组成和吸附强度的吸附剂。每个区中的吸附剂均根据由于所述PSA方法的运作而在床内引起的纵向温度变化来选择。一般来说，对气体混合物中较大极性或较易板化的组分具有较强吸附亲和性的吸附剂应置于具较高温度的床区。

变压吸附(PSA)气体分离方法广泛应用于较低产品率的实践中。只有在要利用很大量氮气和或氧气的地方通过低温蒸馏来从气体混合物诸如空气中进行氮气的分离才能降低成本。因此，很大程度上需要有其它替代的分离方法诸如PSA。在过去三十来年间已提出了大量使用沸石分子筛吸附剂的空气分离方法。因为氮气分子稍大于氧气分子(动力学直径分别为3.64和3.46)，同时因为沸石晶体的孔隙可通过阳离子交换和其它技术来改变，已提出了多种依靠动力学效应的PSA分离(方法)。在东德专利0154690中描述的用锂高度变换形式的沸石A作为选择性吸附氧气的吸附剂的方法就是这种类型的方法。但是，见得最多的是使用大孔沸石吸附剂的N₂-O₂分离方法，通过沸石阳离子和较大的氮分子的四极矩相互作用氧气和氮气两者均可自由进入这种吸附剂。这些方法的代表是由McKee在美国专利3140932和3140933中提出的方法，其中的吸附剂是锶、钡、镍或锂交换形式的沸石X。在美国专利4557736中，Sircai等人提出了含5-40％Ca⁺⁺离子和60-95％Sr⁺⁺离子的混合二价阳离子形式的沸石X的使用。在美国专利4481018中，Coe等人提出只要适当地维持吸附剂活化条件，多价阳离子形式的八面沸石型沸石、特别是Mg⁺⁺、Ca⁺⁺、Sr⁺⁺和Ba⁺⁺形式的八面沸石型沸石是从空气分离氮气的优良吸附剂。C.C.Chao的更新近的发明(美国专利4859217)使用了由88％以上的锂阳离子交换的沸石X。在15-75℃的温度和50-10000乇的压力下的空气分离中出乎意料地有效。除了沸石X外，也已在空气分离中使用或提出使用众多其它种类的沸石(包括合成沸石和天然沸石)，值得注意的有菱沸石和沸石A。

从上述先有技术公开明显可以看出，对PSA空气分离中吸附剂的选择很大程度上是经验性的。不仅沸石阳离子和吸附物之间相互作用的性质没有完全弄清，而且温度、压力和原料化学组成等工艺操作条件的影响也不知道。构成这一问题的事实是PSA方法来身的操作能在固定床上产生由于环境或原料温度引起的明显的温度差，从而在大多数实用系统中存在较大的温度梯度。因此根据具体操作温度选择的吸附剂可能对应在具有不同温度的床的各个部位并不能很好适合。EP-A 0512781 A1涉及通过吸附去除氮气的效率，但没有考虑吸附剂材料选择和工艺操作条件的联合影响。尽管这样，对简单分离即在基本没有其它强易吸附物质如CO₂或H₂O的混合物中将N₂和O₂分离来说，基本上通用的实践方法是使用单吸附剂组合物。一个例外公开于Toussaint的美国专利5203887中，该复合床包括两个吸附区，在其进料端区包含具有高的氮气选择性和吸附能力的吸附剂，而在其出料端区则包含在相同使用条件下具有较低选择性和吸附能力的不同吸附剂。为提高该方法的经济性，主要是减少吸附剂费用和的所需的功率，吸附区只置于床内。但是，Toussaint方法中没有考虑吸附床内的温度梯度。当然先有技术中很多情况是在复合床中进行空气分离处理，床中含有一个用作从进料空气中除去水、二氧化碳和其它污染物的预纯化器的吸附剂区，如在White的美国专利4950311和Leavitt的美国专利5169413中所述。

现已发现作为从较低极性或可极化物质诸如在空气分离中的氧气和氩气分离氮气的常规操作的结果而产生的在PSA吸附床中的温度梯度有利于在含至少两个不同吸附剂区的复合床中使用，每种吸附剂被封闭的床内温度条件和吸附物浓度适合于该区吸附剂性能的某一区中。吸附剂性能通过其可得到的回流比率和通过“吸附质量因数”来衡量，正如下面将进一步详细所述的，它是Δ氮气负载、在各种吸附条件下的选择性和选择性比的乘积。