[发明专利]用高本征扩散率吸附剂及低压力比的变压吸附气体分离法

说明书

发明领域

本发明涉及气体分离中的变压吸附(PSA)及真空变压吸附(VPSA)方法，更具体地说涉及通过采用低压力比和使用高本征扩散率吸附剂使氧产品成本降低的一种空气分离的方法。

发明背景

过去三十多年来，真空变换吸附(VSA)、PSA及VPSA方法用于气体分离已取得显著发展，而主要进展是在近十年取得的。这些方法已分别被称为负压法、超大气压法及过渡大气压法。除专门说明外，以下都用PSA表示任何或所有这些方法。吸附剂改善、过程循环及吸附塔设计的进展，都促进了这些方法的商业化。

高交换的锂分子筛吸附剂，如赵在US 4，859，217中所述，是氧气生产中最新吸附剂的代表。这种最新吸附剂价格昂贵，而且使PSA设备投资费用占显著部分。

PSA方法总能量需求中一个主要因素是吸附对脱附的压力比。降低这个压力比是一种可能降低能耗的方法。此外，缩短PSA的循环时间有可能减少所需吸附剂的用量。不幸的是，这两种对策的通常结果是使产品(如氧气)回收率下降。尝试在低压力比下进行操作，却伴随吸附剂生产能力明显下降，如李威特(Leavitt)US 5，074，892所述。

斯莫拉瑞克(Smolarek)在共同未决US专利申请No．--------(代理案号No．D-20335)中通过对真空及压缩机的适当选择及操作，结合改善径向流吸附塔的流动特性，克服了某些低压力比的抵消效应。阿克利(Ackley)等人在共同未决US专利申请No．--------(代理案号D-20393)中已经指出，通过在快速循环中采用高本征扩散率的吸附剂，能使产物回收率及吸附剂生产能力达到最大。

尽管下述的本发明可广泛应用于气体分离，但以生产高纯度氧气为目的的PSA空气分离工艺(约88-95．7％氧)是尤其引人注意的。以下所讨论的已有技术的空气分离反映了氧气纯度范围。

上述最新类型的吸附剂属于改善平衡特性的结果。吸附剂对N₂吸附容量及N₂／O₂选择性的提高已被转换成工艺有效性上的巨大收益---但这种好处是以较高吸附剂的成本为代价而获得的(见斯莫拉瑞克等人著，气体分离技术，1990)。尤其，锂交换沸石吸附剂(LiX)对PSA空气分离工艺的发展已产生重大影响。对于较高性能的空气分离PSA方法最近已经利用了由于低SiO₂／Al₂O₃，比的高交换LiX沸石所达到较高对N₂吸附容量和N₂／O₂选择性。对这些方法的其它主要改进已包括引入真空脱附、由三床及四床方法减为二床循环，和利用改进的循环步骤，诸如产品增压、吹扫及／或平衡。库玛尔(Kumar)(在“真空变换吸附方法生产氧气---历史展望”，分离科学与技术，31：877-893，1996中)已对氧气生产的这些和已有技术进展进行了综述。

提高方法的有效性及降低轻组分产品的成本，可通过降低单位产品所需吸附剂量(提高吸附剂的生产能力)和增加产品回收率的方法来实现。提高吸附剂生产能力一般用术语床尺寸因子(BSF)表示，即磅吸附剂／TPDO(每日含氧吨)，而产品回收率就是由进料中所获取作为产品的轻组分的分数。吸附剂的改善和循环时间的缩短是降低BSF的两个主要方法。

许多已有技术都注意方法的最优化。雷斯(Reiss)强调了(化学工业，XXXV，第698页，1983)在空气氧富集的真空方法(VSA)中吸附剂质量和高氧回收率的重要性。雷斯指出，对固定的吸附压力在脱附压力增加时，有一比真空泵能耗的最低值。更具体地说，单位产氧的功率初期随压力比降低而下降，然后再增加，以至对最小比能耗有一最佳压力比。与降低压力比对比泵功率的影响同样作用的因素是氧产品量均匀下降或吸附剂生产能力的下降。

斯莫拉瑞克(Smolarek)等人(气体分离技术，1990)通过降低投资费用及功率消耗，达到了降低单位氧产品成本的目的。按照最新吸附剂的特性提出了工艺操作参数。尽管选择最佳循环时间是根据最低成本，但采用缩短循环的方法来缩小床尺寸。在循环缩短时，按照在缩小床尺寸与降低过程有效性之间折衷确定该最低成本。也已表明，两吸附剂床都是最佳的。较低的总能耗是由于提高氧回收率、减少吸附剂藏量及缩小设备尺寸的综合结果。最佳压力比的降低是由于最新吸附剂所致。吸附剂类型(LiX)、BSF(1000磅／TPDO)及压力比(6∶1)最初在刊物上并未提供。