[发明专利]压力变化吸附设备的床粒度和床厚度

说明书

本发明涉及一种压力变化吸附(PSA)式方法，该方法用于分离本质上包括氧气和氮气的气态流，例如空气；该分离方法是用吸附材料例如沸石优先吸附氮气，以便生产氧或一种富含氧的气态流，也就是说，使其中的氮气枯竭。

氧气是一种具有高工业利益的气体，因为它在各种技术领域中有多种用途，例如：生产钢、玻璃、纸张、药、金属焊接、燃烧和污染控制。

目前，生产氧气所用的技术之一是压力变化吸附(Pressure SwingAdsorption-PSA)技术。在本发明的上下文中，PSA方法所指不仅是PSA方法，还包括与之类似的方法，如真空变化吸附(Vacuum SwingAdsorption-VSA)或混合压力变化吸附(Mixed Pressure SwingAdsorption-MPSA)方法。

根据这种PSA技术，在本质上包含氧气和氮气的气态混合物(例如空气)中的氧气，被从所述混合气体中分离出来；分离的方法是用一种优先吸附氮气的物质将氮气从所述混合气体内吸收；所述对氮气的吸附是通过在分离区内形成压力变化来实现的；不被吸附或很少被吸附的氧气，在所述分离区的出口处被回收。

这种PSA方法已在现有技术中多次介绍过。一般说，一个PSA方法总包括：

-吸附氮气的阶段，这时由一种吸附材料，在被称为“高压”的吸附压力下吸附氮气；

-对被吸附剂所捕集的氮气的解吸附阶段，这是在低于吸附压力、被称为“低压”的解吸附压力下进行的；

-对包含吸附剂的分离区的再加压阶段，这时由低压变到高压；所生产的氧气在氮气吸附阶段被回收。

基于此，可以容易地理解到，气态混保体的分离效率取决于为数众多的参数，例如：高压、低压、吸附剂的材料类型、吸附剂材料对被分离组分的亲合力、被分离气态混合物的成分构成、被分离混合物的吸附温度、吸附剂颗粒的尺寸和形状、吸附剂颗粒的成分构成，吸附床的厚度以及在所述吸附床内所建立的温度梯度。

迄今为止，还未能建立确定这些参数的一般规律，因为很难找出这些不同参数彼此之间的关系。

特别是，虽然知道了吸附床的厚度、吸附剂的颗粒粒度和固有空间(dead volumes)对于PSA设备的性能具有不可忽视的影响，尤其像对压力降的影响，迄今为止，还没有根据吸附剂的颗粒粒度、并考虑固有空间以选取吸附床厚度的确定方法。

换句话说，为数众多的文献介绍了吸附剂颗粒粒度的取值范围和吸附床厚度的取值范围，却没有建立这些取值范围间的实际关系。

此外，某些文献公开了吸附剂粒度与循环时间和/或吸附床厚度取值的组合方案。

于是，EP-A-0 480 797提出一个PSA方法，该方法使用直径为0.4毫米至1.7毫米的吸附剂颗粒，循环时间为至少20秒至60秒。

另外，美国专利No.4,194,892公开了一种设备，其吸附床厚最多不过为2.4米，吸附剂颗粒直径最多不过为0.9毫米，其循环时间最少为30秒；而美国专利No.4,194,891介绍了一种吸附床厚度最多不过为1米，吸附剂颗粒的直径最多不过为0.9毫米，其循环时间少于18秒。

此外，美国专利No.5,071,449介绍了一种吸附床，其厚度为0.15米至1米，吸附剂颗粒直径为0.2毫米至1毫米，其循环时间由6秒至60秒；而Yang于1989年发表的文件“气体的吸附分离方法”第267页公开了一种吸附床，其厚度为1.8米至3米，吸附剂颗粒的直径为1.6毫米，其循环时间为3分钟至4分钟。

值得注意的是，对于同样的吸附剂颗粒直径，不同文献所推荐的吸附床厚度有极大的差异，并未实际给出一种精密的选择方案，而且并未考虑吸附器内部固有空间所构成的几何约束。

此外，大家知道，PSA设备所用的吸附剂价格昂贵，于是必须且希望力求减少吸附剂的用量，因此，要减小吸附床的厚度以降低氧气的生产成本。

然而，减小吸附床的厚度必须不致与PSA设备的性能相违背，特别是不得影响到所述PSA设备的产量和生产率。

本发明的目的在于提供一种PSA方法，其中吸附床的厚度：

-本质上只取决于所用吸附剂颗粒的平均粒度，尤其是吸附剂为球形时的平均直径，

-考虑到吸附床固有空间的几何约束；

-不致对PSA方法的能耗构成负面影响；

此外，本发明的分离方法易于实现工业规模化生产，并可显著降低氧气的生产成本。