[发明专利]VPSA法用改进的吸附材料

说明书

发明领域

本发明涉及用于变压吸附(PSA)法的吸附材料。更具体地，本发明涉及用于生产高纯氧气(例如纯度为90-95 vol％O₂的氧气)的PSA法。更具体地，本发明涉及用于PSA法的吸附材料的选择。更具体地，本发明涉及基于吸附材料的固有吸附速率和吸附平衡性质的相关组合选择的吸附材料。

发明背景

过去的三十年里用于空气分离的各种PSA、VSA和VPSA法有了很大的发展，主要的进步出现的最近十年。这些方法的工业化和生产范围的不断扩大可能主要归因于吸附剂和工艺循环的改进，吸附器设计的改进作用较小。用于PSA O₂的常规吸附剂在平衡时是N₂-选择性的，包括例如13X、CaA、CaX、和CaA与CaX的混合物。先进的吸附剂有改进的平衡性质如△N₂载荷(例如工作容量)高、氮／氧选择性高和容量高。US4 859 217(Chao)中所述高度交换的锂分子筛吸附剂是用于O₂生产的这种先进吸附剂的典型代表。

降低吸附剂的需要量和提高产品收率可改进工艺效率和降低轻组分产品的成本。前者一般用床尺寸因子(BSF)磅吸附剂／TPDO(所含氧气吨／天)表示，而后者为进料中作为产品捕获的轻组分的分数。

改进吸附剂和降低循环时间是降低BSF的两种主要方法。虽然循环时间短导致床更短和吸附剂利用率更高，但产品回收率一般受损，除非提高吸附速率。此现象可理想地用传质区(MTZ)的尺寸表征，即随着床深度下降，传质区占吸附剂床的分数增加。由于对于重组分而言吸附剂利用率在MTZ内比在平衡区低得多，因此随着此分数增加，工作容量(例如△N₂载荷)下降。

已做过许多努力试图更显明地关联吸附材料的性质与它们在工艺循环中的性能。公知用较少的吸附剂颗粒可提高传质速率已包括在循环改进中：(1)Sircar(US5 071 449)采用分开的双吸附层，(2)Hirooka等(US5 122 164)采用短循环时间和顺序步骤，(3)Hay等(US5 176 721)在有横向气流的不同粒度的床中。Gaffney等已用循环研究确定以下材料平衡性质组合的实际值范围：(1)等温工作容量和惰性稀释剂的量(US5 258 060)；(2)等温工作容量与选择性(US5 266 102)。

现有技术的这些实例是关联平衡-选择性吸附材料性质与工艺性能的两种典型方法。第一种方法中，使吸附剂组成固定，然后通过调节粒度和床设计分别考虑和调节传质。第二种方法中，改变吸附剂组成从而改变平衡性质，然后测量传质(如果全盘考虑的话)。

最后，Moreau等(US5 672 195)建议较高的沸石孔隙度以改善PSA空气分离的O₂产率和生产量。权利要求中与最小的速率系数结合要求了0．38至0．60的优选孔隙度范围。Moreau述及商购的沸石因孔隙度低于0．36而不适用于它们的发明。Moreau未提出高孔隙度的明显偏移的效果。

发明目的

本发明目的之一是提供有改进的性能特征的PSA法。

本发明另一目的是通过使用增强的吸附材料改善PSA法性能。

本发明另一目的是通过使用固有吸着速率特性得到改善的吸附材料改善PSA法性能。

本发明另一目的是通过使用固有吸着速率与吸附材料的平衡特性相关联的吸附材料改善PSA法性能。

本发明再一目的是提供用于PSA法的吸附剂的选择方法。

发明概述

本发明涉及基于其固有吸附速率和吸附平衡性能的优选和相关组合选择的吸附材料的应用。

附图简述

结合以下优选实施方案的描述和附图，其它目的、特征和优点对于本领域技术人员是显而易见的，其中：

图1为用于测量吸附剂的固有吸附速率的装置示意图。

图2为X型沸石基吸附剂的SCRR对NML FoM数据的图示；

图3为图2中编号1-7的吸附材料的SCRR对NML FoM数据和曲线图；

图4为归一化的O₂回收率对[(SCRR)*(NML FoM)]^0. 5的图示；

图5为归一化的BSF对[(SCRR)*(NML FoM)^0. 5的图示；

图6为SCRR对NML FoM的曲线图，恒定相对PSA产品成本的曲线。

发明详述