專利名稱：使用混合吸附劑層的壓力擺動(dòng)吸附的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及壓力擺動(dòng)吸附(PSA)和真空壓力擺動(dòng)吸附(VPSA)氣體分離系統(tǒng)，具體地說(shuō)，本發(fā)明涉及在含有兩層或多層吸附物質(zhì)的PSA和VPSA吸附劑床系統(tǒng)中，使用混合轉(zhuǎn)換吸附劑層的方法和設(shè)備。
背景技術(shù)：
為了從進(jìn)氣流中除去或者分離出多個(gè)組分需要多個(gè)分離區(qū)，故現(xiàn)有技術(shù)中引入了不同的吸附劑層。由于多種原因，吸附劑層之間的界面清楚地與分離區(qū)之間的明顯邊界相吻合。任意一層可以是由或者單一吸附劑，或者混勻的多種物質(zhì)組成。雖然有明顯界面的復(fù)合層在某些應(yīng)用中，相對(duì)于單一吸附劑來(lái)說(shuō)有了提高，但它們限制了這些吸附物質(zhì)根據(jù)方法要求來(lái)特別制造的程度。
在現(xiàn)有技術(shù)中也介紹了由于吸附劑裝填裝置的限制而表現(xiàn)出明顯界面區(qū)的吸附劑。現(xiàn)有技術(shù)的吸附劑裝填設(shè)備提及了物質(zhì)的裝填和密集裝填，但是僅局限于在吸附劑的每一個(gè)區(qū)或者每一層，裝填單一吸附劑或者混勻的多種吸附劑。這種裝填系統(tǒng)能夠向徑向床吸附分離區(qū)或者吸附劑層同時(shí)裝填不同的吸附劑。
現(xiàn)有技術(shù)介紹了許多將吸附劑裝填到吸附劑床中的設(shè)備，以及對(duì)各個(gè)床層吸附劑進(jìn)行不同的安排。以下是對(duì)這類現(xiàn)有技術(shù)的探討。
題為“利用兩層相鄰物質(zhì)之間的通道，對(duì)至少一種流體進(jìn)行處理的安放形式”的美國(guó)專利5837021，介紹了一種垃圾車型裝填器的裝配，它在徑向流吸附容器里能夠產(chǎn)生分層的吸附劑，同時(shí)在這些物質(zhì)層間會(huì)產(chǎn)生明顯的垂直界面。該專利也指出，床層構(gòu)型顯示了吸附劑之間的直接接觸。
題為“利用兩層相鄰物質(zhì)之間的通道，對(duì)至少一種流體進(jìn)行處理的安放形式”的美國(guó)專利5931980，公開(kāi)了各物質(zhì)層之間有明顯界面的分層吸附劑床，如徑向流吸附容器。這意味著，該床層會(huì)顯現(xiàn)出實(shí)際上呈“波浪狀”的連續(xù)界面。
題為“吸附分離的吸附劑和方法”的美國(guó)專利5176721，采用在水平位置裝填柱狀床，然后在垂直位置操作的工序。這種工序允許每次將一種吸附劑增重裝填，最終形成具有明顯直接接觸界面的垂直吸附劑層。以水平流通過(guò)各層來(lái)操作這種垂直方向的、垂直分層的柱狀床。
題為“顆粒裝填器”的美國(guó)專利5324159，介紹了一種旋轉(zhuǎn)裝填器臂組合在裝設(shè)各個(gè)獨(dú)立吸附劑層的應(yīng)用。該裝填器系統(tǒng)特別適用于軸向流床的吸附劑裝填。
題為“徑向流容器的多吸附劑裝填方法和設(shè)備”的美國(guó)專利5836362，介紹了一種能夠向徑向流床吸附容器中裝填多種吸附劑，同時(shí)在層與層之間產(chǎn)生明顯界面的裝填器組合。各層之中的物質(zhì)可以是單一的吸附劑或者混勻的多種吸附劑。該專利也介紹了為達(dá)到所希望的明顯層界面的裝填標(biāo)準(zhǔn)。
題為“多區(qū)吸附法”的美國(guó)專利4964888，介紹了一種含有多個(gè)吸附劑層的吸附劑，每一層都具有為了改進(jìn)傳質(zhì)速率而進(jìn)行選擇的，不同的珠粒大小。該專利也介紹了夾在這兩層之間的第三層，該層含有相鄰層物質(zhì)的混合物。未給出裝填這樣的吸附劑層的方法。
題為“吸附設(shè)備”的英國(guó)專利申請(qǐng)2300577，介紹了一種帶有各種珠粒狀大小吸附劑的吸附設(shè)備。該申請(qǐng)介紹了一種篩孔徑裝填的分層床和一種不同顆粒大小裝填的未分層床，兩者與美國(guó)專利4964888的方式相似。
需要提高PSA和VPSA系統(tǒng)所用的吸附劑床的效率。進(jìn)而也需要一種低成本的吸附劑床，但它的效率得到改善。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明在一個(gè)吸附劑床中構(gòu)建了一個(gè)混合吸附轉(zhuǎn)換區(qū)，該轉(zhuǎn)換區(qū)含有在明顯的吸附劑層之間的相鄰分層物質(zhì)的逐級(jí)組合物。與具有明顯界面的多層體系相比，這個(gè)混合吸附劑區(qū)導(dǎo)致了工效的提高和生產(chǎn)費(fèi)用的整體減少。
本發(fā)明所介紹的組合裝填器被設(shè)計(jì)成可以同時(shí)裝填含有不同吸附劑的多個(gè)吸附劑層，同時(shí)可以控制這些層之間的混合轉(zhuǎn)換區(qū)。而且，這種組合裝填器可以連續(xù)控制這個(gè)混合轉(zhuǎn)換區(qū)內(nèi)的物質(zhì)分布?；旌衔睫D(zhuǎn)換區(qū)內(nèi)吸附劑的高度和組成根據(jù)工藝要求來(lái)建立，并通過(guò)吸附裝填器裝設(shè)實(shí)現(xiàn)。在混合轉(zhuǎn)換區(qū)內(nèi)希望物質(zhì)組合物成分如此逐漸變化，從約100％的相鄰層物質(zhì)到這個(gè)區(qū)的某些地方有50％的混合物，再到混合轉(zhuǎn)換區(qū)邊緣有約100％的另一種物質(zhì)。優(yōu)選該混合轉(zhuǎn)換區(qū)的最小高度為20個(gè)顆粒直徑的大小。


圖1A舉例說(shuō)明典型的VPSA循環(huán)步驟圖。
圖1B舉例說(shuō)明典型的VPSA工藝條件。
圖2舉例說(shuō)明吸附劑床的吸附區(qū)。
圖3舉例說(shuō)明在吸附末期和解吸步驟的平均床溫曲線。
圖4A舉例說(shuō)明用于探測(cè)吸附劑床溫曲線的混合轉(zhuǎn)換床構(gòu)造。
圖4B舉例說(shuō)明用于探測(cè)珠粒大小變化的混合轉(zhuǎn)換床構(gòu)造。
圖4C舉例說(shuō)明在1.6mm的平均顆粒直徑下、LiX吸附結(jié)束時(shí)的氮?dú)鉂舛确植肌?br> 圖4D舉例說(shuō)明在1.13mm的平均顆粒直徑下、LiX吸附結(jié)束時(shí)的氮?dú)鉂舛确植肌?br> 圖5A舉例說(shuō)明根據(jù)本發(fā)明實(shí)施方案的軸向床裝填器臂組合。
圖5B舉例說(shuō)明軸向床裝填器臂的截面視圖。
圖5C舉例說(shuō)明裝在軸向床裝填器臂上用于控制吸附劑流的閥片。
圖6A舉例說(shuō)明根據(jù)本發(fā)明實(shí)施方案的徑向床裝填器臂組合。
圖6B舉例說(shuō)明徑向床裝填器臂的截面視圖。
圖6C舉例說(shuō)明裝在徑向流床裝填器臂上的通道，它能在該徑向床中產(chǎn)生混合吸附區(qū)。
圖7舉例說(shuō)明吸附區(qū)厚度與落差的關(guān)系。
圖8舉例說(shuō)明吸附區(qū)厚度與裝填流量的關(guān)系。
圖9舉例說(shuō)明吸附區(qū)厚度與分離長(zhǎng)度的關(guān)系。
具體實(shí)施例方式
簡(jiǎn)而言之，本發(fā)明包括一種吸附劑床結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)包括至少兩個(gè)吸附劑或者均勻混合的吸附劑混合物區(qū)域，其中這些區(qū)域被轉(zhuǎn)換區(qū)域所分開(kāi)，該轉(zhuǎn)換區(qū)域含有相鄰區(qū)域物質(zhì)的逐級(jí)混合物。這些分層的吸附劑床區(qū)的界面不一定必須與吸附劑的主要分離區(qū)相吻合。本發(fā)明還包括一種方法，用于向各個(gè)區(qū)裝填吸附物質(zhì)?；旌限D(zhuǎn)換區(qū)層狀床構(gòu)型本發(fā)明中的混合或轉(zhuǎn)換區(qū)所表現(xiàn)出的熱力學(xué)、動(dòng)力學(xué)和物理學(xué)性質(zhì)與相鄰吸附劑層中的物質(zhì)有關(guān)。讓人吃驚的是，在混合區(qū)中吸附劑的選擇和逐級(jí)變化能夠?qū)е鹿に囆阅艿母倪M(jìn)。具有代表性的改進(jìn)包括工作容量的提升，更高的選擇性，熱力循環(huán)的減少，壓力差更低等。改進(jìn)的類型和程度依賴于工藝、吸附劑和逐級(jí)混合區(qū)的深度而定。因此，對(duì)多種不同類型的分離和吸附構(gòu)型，使用本發(fā)明的混合轉(zhuǎn)換區(qū)的好處都能夠?qū)崿F(xiàn)。
已發(fā)現(xiàn)，在轉(zhuǎn)換區(qū)中的吸附劑混合物的特性與局部工藝條件相互作用，從而提供了更高的分離效率，這是相對(duì)于相鄰層的物質(zhì)基本上不混合(即在各層之間具有明顯界面的層狀吸附劑床)所能達(dá)到的效率而言的。該發(fā)現(xiàn)導(dǎo)致了工藝性能的提高。
混合吸附轉(zhuǎn)換區(qū)的優(yōu)點(diǎn)總結(jié)如下(1)減少了熱力循環(huán)通過(guò)強(qiáng)吸附劑和弱吸附劑的逐級(jí)混合；或者通過(guò)吸附劑與吸熱物質(zhì)的逐級(jí)混合；或者同時(shí)使用以上的兩種方法；-達(dá)到更低的吸附劑床大小和減少的凈化過(guò)程以及更低的能量需求。(2)通過(guò)把吸附劑組合物和床操作溫度相匹配以提高吸附劑性能；和/或?qū)⑽絼┻M(jìn)行逐級(jí)混合；-達(dá)到更高的絕熱分離因數(shù)，更低的能量，更小的吸附劑床尺寸因數(shù)和降低吸附劑的費(fèi)用。(3)通過(guò)不同粒徑物質(zhì)的逐級(jí)混合得到更低的壓力差-實(shí)現(xiàn)更低的能量要求。(4)通過(guò)不同平均粒徑吸附劑的逐級(jí)混合得以提高傳質(zhì)速率減小傳質(zhì)區(qū)的大小、增加氧氣的回收率和/或純度，同時(shí)增加吸附劑生產(chǎn)率。
下面介紹的兩個(gè)例子是用來(lái)證明混合轉(zhuǎn)換區(qū)的優(yōu)點(diǎn)(1)將吸附劑混合物的熱力學(xué)與熱循環(huán)和局部溫度梯度進(jìn)行綜合；(2)使用不同平均粒度的吸附劑混合物，當(dāng)傳質(zhì)區(qū)在不同平均粒徑大小的吸附劑層之間移動(dòng)時(shí)，可以使傳質(zhì)區(qū)的轉(zhuǎn)換變得容易。
本發(fā)明用于壓力擺動(dòng)吸附和/或溫度擺動(dòng)吸附體系，該體系擁有一個(gè)或者多個(gè)吸附床層，并且不依賴于特殊的氣體分離或者工藝循環(huán)。
由于吸附劑的選擇和混合使工藝性能得以提高，所以特定溫度下每一個(gè)吸附區(qū)內(nèi)的吸附熱力學(xué)得到改進(jìn)。
在吸附工藝的操作過(guò)程中，在吸附劑床中會(huì)存在或者出現(xiàn)明顯的分離區(qū)。圖2舉例說(shuō)明了這些分離區(qū)。從容器12的底部10進(jìn)料，接著進(jìn)入徑向吸附劑14的A區(qū)。A區(qū)的主要作用是對(duì)進(jìn)料進(jìn)行預(yù)純化，特別是除去水和CO2。離開(kāi)A區(qū)后，流體進(jìn)入主氣體分離區(qū)B區(qū)。就是在這里進(jìn)行所需的大多數(shù)氣體的大部分分離。在吸附步驟的最后，B區(qū)用進(jìn)氣達(dá)到平衡，故稱之為“平衡區(qū)”。在B區(qū)，吸附步驟開(kāi)始時(shí)會(huì)出現(xiàn)傳質(zhì)線展開(kāi)，并穿過(guò)B區(qū)直至到達(dá)C區(qū)。在傳質(zhì)線來(lái)自C區(qū)末端時(shí)傳質(zhì)線噴出之前，停止吸附步驟以保持產(chǎn)品的純度。產(chǎn)品氣體在C區(qū)的出口產(chǎn)生并被除去，在C區(qū)它流向容器12頂端的出口16。C區(qū)稱作“傳質(zhì)”區(qū)。
在吸附過(guò)程中，在吸附劑床內(nèi)出現(xiàn)溫度梯度。一旦循環(huán)達(dá)到其穩(wěn)態(tài)操作，那么整個(gè)循環(huán)步驟中吸附劑床一直會(huì)有這個(gè)梯度。但是，吸附劑床每個(gè)局部的溫度(梯度的局部點(diǎn)上)都會(huì)隨循環(huán)中的每一步驟進(jìn)行波動(dòng)。這就在吸附劑床內(nèi)的每一個(gè)局部產(chǎn)生了“熱擺動(dòng)”。在吸附末期和解吸步驟分別形成了這個(gè)熱擺動(dòng)的上下邊界，以及溫度梯度的邊界。在圖3中，給出了在VASP空氣分離過(guò)程中，含有NaX和LiX吸附劑的層狀床的溫度梯度及得到的熱擺動(dòng)的例子。在這個(gè)例子中，為了實(shí)現(xiàn)不同的分離而使用了不同的吸附劑。因此，使用NaX的唯一目的是為了在用LiX除去氮?dú)庵?，就從進(jìn)氣中除去CO2和H2O。
這些局部床溫?cái)[動(dòng)(或者是熱擺動(dòng))是吸附和連續(xù)吸附以及解吸步驟熱的直接結(jié)果，對(duì)該方法產(chǎn)生不利影響。這是因?yàn)樵诮馕^(guò)程中會(huì)出現(xiàn)最低的局部溫度，而在吸附過(guò)程中會(huì)出現(xiàn)最高的局部溫度。這種不利的床溫變化導(dǎo)致了凈化過(guò)程增多和吸附容量降低，因此降低了吸附劑的效率。
所有的壓力擺動(dòng)方法都體現(xiàn)了吸附劑床內(nèi)的熱循環(huán)，以及特征性的溫度梯度。應(yīng)該這樣理解，就是對(duì)不同的分離、吸附劑和/或工藝條件，這些溫度梯度可以不同。而且，這種熱力學(xué)曲線也可以隨著吸附劑床中的傳熱設(shè)備而變化。本發(fā)明不局限于溫度梯度的任何具體實(shí)例，但是著重強(qiáng)調(diào)這些溫度梯度的存在情況。
吸附劑床溫度梯度的特征如上所述，圖3說(shuō)明了沿VPSA空氣分離循環(huán)的吸附劑床程的典型溫度梯度。底部或者吸附劑的進(jìn)料端的操作溫度與進(jìn)料溫度幾乎相同或者稍稍低一點(diǎn)。接著就發(fā)生相對(duì)較快的溫度下降，在吸附劑的下半部，就是在預(yù)純化區(qū)A區(qū)的出口，達(dá)到最低溫度。然后隨著作為產(chǎn)品端的B區(qū)和C區(qū)的接近，溫度逐漸上升。在接近吸附劑頂端的產(chǎn)品端時(shí)，溫度一般達(dá)到最高。
在吸附器區(qū)域內(nèi)可以對(duì)這種或者其他工藝操作選擇吸附劑，該吸附器中的吸附特征根據(jù)這個(gè)溫度曲線調(diào)整。
另外根據(jù)本發(fā)明，通過(guò)綜合吸附混合物的性質(zhì)和吸附劑床中的局部溫度條件，混合轉(zhuǎn)換區(qū)可用于減少熱循環(huán)的不利影響。這可以通過(guò)引入一種充當(dāng)吸熱物的物質(zhì)，或者通過(guò)采用更弱的吸附劑和更低的吸附熱來(lái)完成。將混合區(qū)進(jìn)行配置，以減少這種不需要的熱循環(huán)，增加吸附效率和提高工藝性能。
圖4A介紹一種采用混合轉(zhuǎn)換區(qū)來(lái)探測(cè)存在于吸附劑床中的溫度條件的吸附劑床的構(gòu)型。根據(jù)單個(gè)吸附劑和它們的混合物的吸附性質(zhì)，并根據(jù)床層局部溫度條件調(diào)整，通過(guò)混合轉(zhuǎn)換區(qū)每一邊的吸附劑的選擇和分層可以改進(jìn)工藝性能。讓人吃驚的是，吸附劑構(gòu)型的邊界(圖中的aa/ab和ab/bb線)與分離的邊界線(圖中的A/B和B/C)并不一定需要吻合，就能達(dá)到這種工藝性能的改進(jìn)。通過(guò)明顯分層吸附區(qū)與兩分層吸附區(qū)之間的混合轉(zhuǎn)換區(qū)相結(jié)合，絕熱分離因數(shù)沿著吸附劑床程上的每一個(gè)溫度點(diǎn)達(dá)到最大。這種絕熱分離因數(shù)的有關(guān)公開(kāi)在共同轉(zhuǎn)讓的美國(guó)專利6027548中。
在上面圖4A中所介紹的例子中，吸附劑床的aa區(qū)是用NaX構(gòu)成的。在aa區(qū)中的吸附劑，使用快速降溫曲線在吸附劑的預(yù)純化區(qū)(A區(qū))中進(jìn)行操作。這個(gè)區(qū)中含總吸附劑的約5-10％。bb區(qū)含有LiX并占據(jù)吸附劑的整個(gè)C區(qū)和部分B區(qū)。這個(gè)區(qū)占總吸附劑的約70-80％。
混合轉(zhuǎn)換區(qū)(ab)介于單獨(dú)的LiX吸附劑和NaX吸附劑層之間。這個(gè)區(qū)域下端是100％的NaX在邊界aa/ab，并且該區(qū)域的組合物中的LiX逐漸增加的，直到在ab/bb邊界到達(dá)100％的LiX。調(diào)整ab區(qū)的長(zhǎng)度(也稱為ab的深度)，在靠近主分離區(qū)(B區(qū))的連續(xù)變化低溫區(qū)獲得最好性能。所需的轉(zhuǎn)換區(qū)(ab)大小依賴于工藝條件和吸附劑。由此，轉(zhuǎn)換區(qū)的大小基于吸附劑床中的吸附劑的熱狀態(tài)，并基于吸附劑混合物的分離特征設(shè)立。
對(duì)于示范物質(zhì)，使用美國(guó)專利6010555(共同轉(zhuǎn)讓)和圖1A-1B舉例說(shuō)明的工藝，理想轉(zhuǎn)換區(qū)含有約10-25％的整個(gè)吸附劑床長(zhǎng)度的LiX區(qū)，這部分在整個(gè)循環(huán)步驟中床溫都低于約300-305K，并被LiX和NaX的逐級(jí)混合物所代替。作為一般規(guī)律，優(yōu)選該轉(zhuǎn)換區(qū)的厚度不小于約20個(gè)顆粒直徑大小TR≥20[(dp1+dp2)/2]其中，dp1和dp2是在逐級(jí)混合物中的各吸附劑的平均粒徑。設(shè)立這樣的低限是為了保證有足夠的床層長(zhǎng)度提供給逐級(jí)混合物。在本發(fā)明的申請(qǐng)中，非常陡的溫度梯度導(dǎo)致更短的混合區(qū)，而較緩的溫度梯度會(huì)導(dǎo)致較長(zhǎng)的混合區(qū)。
為本公開(kāi)內(nèi)容的目的我們指出，粒徑和顆粒直徑定義為一個(gè)吸附區(qū)中的所有顆粒的平均直徑。該技術(shù)領(lǐng)域內(nèi)的技術(shù)人員應(yīng)理解，商業(yè)上的吸附劑一般是根據(jù)以平均顆粒直徑為特征的篩分大小來(lái)提供的。
在上面的例子中，混合轉(zhuǎn)換區(qū)(ab)中可以使用額外量的NaX，以此來(lái)減少更貴的LiX物質(zhì)的用量。這就可能在吸附劑床的較低局部溫度區(qū)，獲得吸附劑混合物的分離效率的提高。
因此，通過(guò)混合兩種吸附劑也降低了該方法的整體吸附劑費(fèi)用。由此，選擇轉(zhuǎn)換區(qū)混合物的混合物梯度和區(qū)域深度使吸附劑效率達(dá)到最大，導(dǎo)致了整個(gè)方法的改進(jìn)和產(chǎn)品費(fèi)用的下降。
本發(fā)明的轉(zhuǎn)換區(qū)也可以用于使壓力差最小，以及用于優(yōu)化速率影響。
流經(jīng)吸附劑床的流體受到吸附和解吸、床的幾何構(gòu)型變化、溫度以及壓力的影響。整個(gè)流體的表面流速受到所有這些因素的影響，在整個(gè)床程中都在變化。因此在經(jīng)過(guò)吸附劑床時(shí)就出現(xiàn)一個(gè)壓力梯度。這種不希望出現(xiàn)的壓力梯度在PSA循環(huán)的所有步驟中都存在著，并降低了整個(gè)工藝性能。
在吸附劑的底層存在最大的壓力梯度，這是因?yàn)樵谶@些區(qū)中存在著高速進(jìn)出的流體。在吸附的上半部存在較小的壓力梯度，因?yàn)檫@些床區(qū)內(nèi)流體減少。這樣的床壓力差是不希望出現(xiàn)的，并且導(dǎo)致分離效率降低。
已知使用較大的顆粒可以改變局部的壓力梯度，另一種控制壓力梯度的方法是通過(guò)控制在一個(gè)區(qū)內(nèi)的吸附劑粒徑分布。傳質(zhì)速率的影響在典型的PSA工藝的吸附步驟中，一條吸附邊緣線沿進(jìn)料流體方向傳過(guò)吸附劑床。該傳質(zhì)線受到吸附劑特性、氣流和具體的方法步驟以及時(shí)間的影響。
在吸附劑床的下半?yún)^(qū)中，當(dāng)傳質(zhì)線經(jīng)過(guò)時(shí)，吸附達(dá)到飽和并且這些區(qū)有足夠的時(shí)間與進(jìn)料達(dá)到平衡。因此，下半?yún)^(qū)的分離效率由吸附劑的平衡特性和工藝條件所控制。在吸附步驟的末尾，傳質(zhì)區(qū)(MTZ)到達(dá)并停留在吸附劑的上半?yún)^(qū)。其分離效率由這個(gè)區(qū)中的物質(zhì)的傳質(zhì)速率特性所決定。
MTZ的長(zhǎng)度影響整個(gè)工藝的性能。MTZ幾乎整個(gè)包含在吸附劑床的產(chǎn)品產(chǎn)出末端，包含在吸附步驟的末端，例如，如圖4C中所示，用平均顆粒直徑為1.6mm的LiX的均勻床中的N2濃度分布進(jìn)行的舉例說(shuō)明。通過(guò)對(duì)比，圖4D中給出了相同類型吸附劑在吸附劑床中相似的分布，但平均顆粒直徑為1.13mm。
圖4D中，較短的MTZ是在更大的床壓力差的代價(jià)，即由于粒徑更小下獲得的。只有在靠近床的產(chǎn)品端的MTZ區(qū)，通過(guò)含高速的物質(zhì)才能顯著減輕這個(gè)問(wèn)題。
然而不幸的是，分隔不同平均粒徑的吸附劑的明顯界面使得傳質(zhì)線的運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生不連續(xù)。這種不連續(xù)減少了較高速吸附劑的優(yōu)點(diǎn)。雖然在含有較慢吸附劑的較長(zhǎng)平衡區(qū)(bb1)中的傳質(zhì)線，在當(dāng)它到達(dá)界面時(shí)完整展開(kāi)，但是在含有更快物質(zhì)的較短區(qū)中就不是這樣了。
雖然，通過(guò)使用更小的珠粒來(lái)增加傳質(zhì)速率，可以提高吸附限速區(qū)的性能，但是如上所述，這些更小的珠粒導(dǎo)致通過(guò)吸附劑床的更大壓力梯度。這種競(jìng)爭(zhēng)型的影響可以通過(guò)本發(fā)明中在整個(gè)區(qū)中引入連續(xù)變化顆粒直徑分布的混合轉(zhuǎn)換區(qū)而得以控制。這就使得傳質(zhì)線在從低速物質(zhì)進(jìn)入高速吸附劑過(guò)程中時(shí)，逐漸變得尖銳。具有用于探測(cè)珠粒大小變化的混合轉(zhuǎn)換區(qū)吸附劑床構(gòu)型的例子為了證明該實(shí)施方案，把圖4A中的吸附區(qū)bb細(xì)分成三個(gè)小區(qū)，把混合轉(zhuǎn)換區(qū)再次夾在兩個(gè)均勻混合物的吸附劑層之間。圖4B舉例說(shuō)明了這個(gè)構(gòu)型。bb1和bb3層代表同種吸附劑物質(zhì)，但各層具有不同的平均顆粒直徑。bb2區(qū)是bb1和bb3的吸附劑的逐級(jí)混合物，重疊在平衡區(qū)和傳質(zhì)區(qū)。Bb2區(qū)的下半部是100％較大直徑的物質(zhì)，并且在這個(gè)區(qū)的吸附劑大小被逐級(jí)組成一種組合物，相應(yīng)于這個(gè)區(qū)的另一端的100％較小粒徑物質(zhì)。這種不同粒徑的顆粒間的混合提供了一種在平均粒徑減小時(shí)，控制壓力差和吸附速率這對(duì)競(jìng)爭(zhēng)性影響的方法。這樣，吸附效率可以最大。
混合轉(zhuǎn)換區(qū)(bb2)的大小由具體傳質(zhì)區(qū)作用來(lái)確定，該作用由循環(huán)的具體吸附劑和工藝特性控制。
優(yōu)選轉(zhuǎn)換區(qū)的長(zhǎng)度可以這樣確立，即在不連續(xù)層中的兩種物質(zhì)的MTZ寬度差TR＝MTZ1-MTZ2對(duì)于圖4C和圖4D的例子，整個(gè)吸附劑床的長(zhǎng)度保持不變。對(duì)于同樣的工藝操作條件和O2產(chǎn)品純度，MTZ1-MTZ2大約是7厘米。這樣的轉(zhuǎn)換區(qū)的長(zhǎng)度也滿足下式(1)確定的限制性條件TR≥20[(1.6+1.13)/2]≥27.3mm在上面的例子中，轉(zhuǎn)換區(qū)的每一邊上的不連續(xù)層不必由相同的吸附劑物質(zhì)組成。
填充密度均一的高吸附劑填充密度在高效吸附工藝的設(shè)計(jì)中很重要。這種高密度填充提高了吸附劑床中的流體分布，對(duì)有效操作很關(guān)鍵。另外，吸附劑床密度高，降低了粒子間的空隙率，產(chǎn)生提高的吸附效率。
以上的例子證明了混合轉(zhuǎn)換區(qū)的部分優(yōu)點(diǎn)。本發(fā)明并不僅局限于這些能夠?qū)崿F(xiàn)的實(shí)例優(yōu)點(diǎn)的情況。相反，混合轉(zhuǎn)換的概念廣泛用在由相鄰層中的物質(zhì)結(jié)合產(chǎn)生一個(gè)單一性質(zhì)的區(qū)域，可以用作把吸附系統(tǒng)的任何理想性質(zhì)用來(lái)獲得以上提及到的混合轉(zhuǎn)換區(qū)優(yōu)點(diǎn)。由此，被混合轉(zhuǎn)換區(qū)分開(kāi)的兩層中的吸附劑物質(zhì)的組成可以不同，如物理性質(zhì)(例如粒徑，速率和/或平衡特性)或者吸附劑類型(例如NaX，LiX，NaA等)。這些物質(zhì)可能根據(jù)各層所要完成的分離而有所不同(例如NaX用于分離CO2/H2O，以及LiX用于分離N2)。另外，這些相鄰層本身可能含有吸附劑的混合物，這些吸附劑如在美國(guó)專利6027548中的公開(kāi)內(nèi)容。如上所述，本發(fā)明的一個(gè)目標(biāo)是在吸附劑的利用和產(chǎn)品回收上獲得重大改進(jìn)，這通過(guò)吸附速率特性的提高，主要是通過(guò)在吸附劑顆粒的大孔中增加有效的擴(kuò)散率而完成。在本發(fā)明的條件下獲得的改善的回收率也導(dǎo)致生產(chǎn)每單位產(chǎn)品的能耗降低。本發(fā)明優(yōu)選指導(dǎo)基于平衡的、由通過(guò)顆粒內(nèi)部孔的擴(kuò)散所控制的傳質(zhì)吸附分離工藝。雖然這些例子是關(guān)于使用單一主要吸附劑的空氣分離，但本發(fā)明既不局限于二元混合物，也不局限于空氣進(jìn)料，并且不局限于單一主要吸附劑。
另外，當(dāng)要完成不止一種分離時(shí)，可以考慮包括一種或者多種吸附劑作為主吸附劑。在這樣的情況下，每一種吸附劑負(fù)責(zé)不同分離或者同一分離的不同級(jí)別。這樣就會(huì)在過(guò)程中存在多個(gè)傳質(zhì)區(qū)。對(duì)每一個(gè)吸附劑/被吸附物的組合進(jìn)行與上面介紹的相似分析，其中克服巨大的傳質(zhì)阻力限制將會(huì)導(dǎo)致整個(gè)工藝性能的改進(jìn)。因此，選擇在主吸附區(qū)中的不同吸附物質(zhì)的性質(zhì)(特別是那些與吸附速率有關(guān)的性質(zhì))，以便使所有該過(guò)程所要求的分離得以最大化。這樣的過(guò)程的例子包括從H2/CO/CO2/CH4混合物中回收H2；預(yù)純化，包括從空氣中除去H2O和CO2，從空氣中分離出Ar或者N2或者O2，干燥工藝氣流和從廢氣或者用H2的PSA尾氣中回收CO2。
建議將X型的沸石吸附劑用于空氣分離，最優(yōu)選高交換的LiX，如Chao(美國(guó)專利No.4859217)所介紹的。其他具有單價(jià)陽(yáng)離子或者混合陽(yáng)離子的X型物質(zhì)也適用于本發(fā)明，如Chao(美國(guó)專利No.5174979)所建議的那些。本發(fā)明也可以使用任何類型的平衡選擇性吸附劑物質(zhì)包括，但不局限于以下各類A-沸石，Y-沸石，菱沸石，絲光沸石，斜發(fā)沸石及其不同的離子交換形式，以及二氧化硅-氧化鋁，氧化鋁，二氧化硅，鈦的硅酸鹽以及它們的混合物。
也應(yīng)指出，本發(fā)明可以在主吸附劑區(qū)，如不同類型的或者同一類型但具有不同吸附和/或物理特性的吸附劑的層和混合物中，用吸附劑的各種展開(kāi)實(shí)施。例如，本發(fā)明中提速概念可以用于由Ackley的共同未決申請(qǐng)SN 08/837411，以及Notaro等人(USP 5674311)和Watson等人(USP 5529610)所提出的層狀床。
最后，在本發(fā)明的基礎(chǔ)上的進(jìn)一步提高可以通過(guò)分布不同速率性能的吸附劑使壓力差和/或傳質(zhì)區(qū)大小最小獲得。性能的選擇應(yīng)該是為了增加吸附速率和使吸附步驟末端的傳質(zhì)區(qū)部分大小最小。
本發(fā)明提出一個(gè)提高工藝性能的方法，就是通過(guò)減少傳質(zhì)限制而使工藝中的壓力差沒(méi)有任何增加。減少床深度和循環(huán)時(shí)間是為了補(bǔ)償當(dāng)減小粒徑時(shí)所增加的比壓差(每單位深度吸附劑的壓力差)。然而有可能出現(xiàn)這樣的情況，就是希望壓力差進(jìn)一步降低和/或希望或者必須使用具有不同速率特性的吸附劑。在這樣的實(shí)施方案中，可以在平衡區(qū)使用較差吸著速度-質(zhì)量的吸附劑(低傳質(zhì)系數(shù))，以及在傳質(zhì)區(qū)使用同種吸附劑的較高吸著速度-質(zhì)量的類型(高傳質(zhì)系數(shù))。
可以考慮，在后者條件下，較差吸著速度-質(zhì)量物質(zhì)也可以是更小直徑的。這將導(dǎo)致一種構(gòu)型，它在吸附劑床粒徑上與現(xiàn)有技術(shù)說(shuō)法完全相反。這樣，當(dāng)必須使用具有不同速率特性的多種吸附劑時(shí)，將最大傳質(zhì)速率系數(shù)的吸附劑保持傳質(zhì)區(qū)中可以保證整個(gè)工藝最好的性能。
由于傳質(zhì)區(qū)在開(kāi)始階段形成，并發(fā)展而最終成為平衡區(qū)(在吸附步驟的末端)，所以相對(duì)于后面的吸附劑層的吸附速率不能太低。這是因?yàn)閭髻|(zhì)區(qū)的前沿將會(huì)在尾隨邊緣經(jīng)過(guò)兩類物質(zhì)之間的邊界之前從吸附器上斷裂。這將導(dǎo)致平衡區(qū)大小減小和傳質(zhì)區(qū)的增大，并因此使整體產(chǎn)品回收和/或產(chǎn)品純度更低。
這種情況可以最小化，即通過(guò)選擇吸附劑和最具選擇性組分的傳質(zhì)系數(shù)(MTC)，以便在具有最低MTC的吸附劑中的傳質(zhì)區(qū)的大小不低于在具有最高M(jìn)TC的吸附劑中的傳質(zhì)區(qū)的大小的兩倍。
這個(gè)問(wèn)題也可以通過(guò)用這樣的一種方式來(lái)分配吸附劑而解決，這種方式就是為了獲得從吸附器的進(jìn)口到出口的傳質(zhì)系數(shù)(與不連續(xù)層相相反)的逐級(jí)增加。當(dāng)為了多種分離在主吸附劑中含有多個(gè)吸附區(qū)時(shí)，最好是傳質(zhì)系數(shù)梯度的概念(或者通過(guò)不連續(xù)層或者通過(guò)逐級(jí)變化)能夠單獨(dú)用于每一個(gè)所包括的分離區(qū)。
本發(fā)明這些概念并不局限于任何具體的工藝條件，而是可以用于一個(gè)大范圍工藝條件，例如，溫度，壓力，進(jìn)料速度等。在為了保證最好的工藝性能而應(yīng)用這些工藝條件之前，只需估計(jì)所述的工藝條件下吸附劑的速率特性。同樣，這些概念可以用于單床工藝，以及復(fù)合床工藝，用低于大氣壓(VSA)、與大氣壓相同的壓力(VPSA)或者高于大氣壓(PSA)的循環(huán)進(jìn)行操作。
雖然在該中公開(kāi)的實(shí)例使用的是八步循環(huán)，但是本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)也可以用于由較少步驟組成的更簡(jiǎn)單循環(huán)和由較多步驟組成的更復(fù)雜的循環(huán)。
這里介紹的提速概念不局限于任何特殊的吸附器構(gòu)型，而且能夠有效用于軸向流、徑向流、橫向流等吸附器。吸附劑可以固定在或者不固定在吸附容器中。
本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)也可以在這樣的循環(huán)中獲得，在這些循環(huán)中，其主要產(chǎn)品是具有更大選擇性吸附的組分(例如N2)或者在這些循環(huán)中，更強(qiáng)和更弱的吸附組分都回收成為產(chǎn)品。
雖然在上面的例子中只包含一個(gè)混合區(qū)域，但是，該技術(shù)領(lǐng)域內(nèi)的技術(shù)人員應(yīng)認(rèn)識(shí)到，取決于要解決的分離問(wèn)題，也可以使用幾個(gè)混合區(qū)。
而且，本發(fā)明可用于有一個(gè)或更多吸附劑床的壓力擺動(dòng)吸附和/或溫度擺動(dòng)吸附體系，而不依賴于特殊的氣體分離或者工藝循環(huán)。具有混合轉(zhuǎn)換區(qū)的吸附劑床的裝填設(shè)備如上所述，由在兩層吸附劑之間夾入混合吸附劑轉(zhuǎn)換區(qū)的吸附劑床構(gòu)型有好幾個(gè)吸附劑和工藝優(yōu)點(diǎn)?，F(xiàn)有技術(shù)為了處理吸附劑層而設(shè)計(jì)的裝填設(shè)備的目的在于在層與層之間產(chǎn)生明顯的界面。美國(guó)專利5324159和5836362介紹的密集裝填器系統(tǒng)的方法，用于軸向和徑向床，本發(fā)明將其改進(jìn)后能夠產(chǎn)生混合轉(zhuǎn)換區(qū)，專利在此引入作為參考。本發(fā)明的范圍也包括了一種向具有這種混合轉(zhuǎn)換區(qū)的吸附劑床裝填吸附劑的設(shè)備。軸向床裝填器本發(fā)明改進(jìn)了專利5324159介紹的吸附劑床裝填器，即為每一種物質(zhì)添加單獨(dú)的裝填器臂通道。在每一個(gè)裝填器臂通道中，用滑動(dòng)閥片來(lái)改變有效孔徑。圖5A-5C介紹了這種裝填器裝置。如圖5C所示，通過(guò)調(diào)整閥片可以在裝填過(guò)程中改變孔徑，并由此影響各種具體吸附劑物質(zhì)在各自通道中的流速(見(jiàn)圖5B)。在裝填方法中使用這種控制是為了當(dāng)裝填臂在吸附劑床上方轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，在吸附劑床的每個(gè)區(qū)中獲得獲得希望的床層組成。當(dāng)吸附劑床以垂直位置從底部向頂部裝填時(shí)，任何一個(gè)區(qū)組成可以在0％-100％。徑向裝填器本發(fā)明改進(jìn)了專利5836362介紹的徑向吸附劑床裝填器，即添加為在混合區(qū)中控制吸附組成而設(shè)計(jì)的特性。圖6A-6c介紹了這種裝填器的組合，其中完成吸附劑裝填的控制是通過(guò)下面的方法(1)調(diào)整物質(zhì)的落差；(2)通過(guò)如下改變調(diào)整裝填流量-改變孔徑，裝填器臂的旋轉(zhuǎn)速度，吸附劑粒度(平均粒徑)-改變從臂中懸出的分隔片的長(zhǎng)度。
(3)改變?cè)诓煌b填臂中重疊的吸附劑的數(shù)量；(4)改變?cè)谘b填器臂中孔的分布。小轉(zhuǎn)換區(qū)在應(yīng)用中，當(dāng)混合轉(zhuǎn)換區(qū)相對(duì)較小，即長(zhǎng)度標(biāo)稱為2-10cm時(shí)，可以用下列方法控制其組成(1)調(diào)整物質(zhì)的落差；(2)調(diào)整孔徑，裝填器臂的旋轉(zhuǎn)速度和/或珠粒大小來(lái)改變吸附劑的裝填流量；(3)調(diào)整從臂中懸出的分隔閥片的長(zhǎng)度。
為了在小轉(zhuǎn)換區(qū)中獲得理想的逐級(jí)混合物，已經(jīng)確定了重要的裝填關(guān)系。
圖7介紹了在落差和混合轉(zhuǎn)換區(qū)厚度之間的相互關(guān)系。影響混合轉(zhuǎn)換區(qū)厚度的一個(gè)主要因素是，在裝填中當(dāng)吸附顆粒碰撞到位于吸附劑床頂端的靜態(tài)顆粒表面時(shí)造成的部分吸附劑顆粒反彈。這樣的反彈是包含于下落顆粒中的能量造成的結(jié)果。增加落差，既增加顆粒的能量，又增加混合層的厚度。
圖7說(shuō)明約1m的落差可以獲得約2cm這樣小的混合區(qū)。在落差延伸到約8m時(shí)，轉(zhuǎn)換區(qū)延伸到25cm。
圖8介紹了裝填流量(以裝填臂的每次旋轉(zhuǎn)，每克吸附劑/m2床表面積計(jì)算)和混合轉(zhuǎn)換區(qū)厚度之間的相互關(guān)系。如上所述，部分下落吸附劑由靜態(tài)吸附劑彈起，自由降落分散，其彈落距離受到顆粒的能量和在顆粒之間實(shí)際接觸面的影響。
增加裝填流量，不僅增加在這些反彈的顆粒和那些從裝填臂中下落的顆粒之間的相互干擾，而且增加反彈顆粒之間的相互干擾。因此，分散區(qū)減小，并且如在美國(guó)專利5324159中介紹的那樣，自由裝填充密度減??；(相反，當(dāng)減少裝填流量時(shí)，并因此減少反彈顆粒之間的相互干擾，產(chǎn)生自由的，更密集的填充)。圖8表明了在標(biāo)稱落差為4m的情況下，這種裝填流量和分散區(qū)厚度之間的對(duì)照關(guān)系。使用更大的孔徑，更慢的臂轉(zhuǎn)速和更小的顆粒可以增加裝填流量。
圖9介紹了在標(biāo)稱落差為4m的情況下，分隔長(zhǎng)度和混合轉(zhuǎn)換區(qū)厚度之間的相互關(guān)系。從裝填臂的孔中出來(lái)的吸附劑物質(zhì)有一個(gè)適度的徑向速度與運(yùn)行軌跡，并由此產(chǎn)生了一個(gè)更寬的混合區(qū)。使用粒子導(dǎo)流板來(lái)減少這些組分的速度，并由此減少混合區(qū)的寬度。
導(dǎo)流板也可以延伸到正好位于裝填好的吸附劑床表面上方的位置。伸出的顆粒隔板可以控制或者消除由于床上表面的反彈作用的影響。這個(gè)長(zhǎng)度控制可以在非常高的落差下，將轉(zhuǎn)換區(qū)減少到厚度為約2cm。大轉(zhuǎn)換區(qū)在希望得到一個(gè)超過(guò)15-20cm的大混合區(qū)的應(yīng)用中，徑向床裝填器臂設(shè)計(jì)成對(duì)每一種要裝填的物質(zhì)的孔型有重疊。圖8C介紹了在懸出的分配片上的具有重疊孔的裝填臂。這些重疊孔及其間隔將決定這些相對(duì)較大的混合轉(zhuǎn)換層中央部分的混合物的組成。更好的是裝入裝填器臂的物質(zhì)可以是各種單個(gè)吸附劑的預(yù)混合物，因此為在混合轉(zhuǎn)換區(qū)中獲得大范圍的可能吸附劑組成提供了很大的機(jī)動(dòng)性。
應(yīng)當(dāng)理解前面的敘述只是本發(fā)明的舉例說(shuō)明。該技術(shù)領(lǐng)域內(nèi)的技術(shù)人員在不超出本發(fā)明的情況下，可以做出各種變換和修改。因此，本發(fā)明將包括在所附的權(quán)利要求范圍內(nèi)的所有的這樣的變換、修改以及改變。
權(quán)利要求
1.一種用于從氣體混合物中分離出一種或者多種氣體混合物組分的吸附劑床，所述吸附劑床含有含有第一吸附劑的第一吸附劑區(qū)；含有第二吸附劑的第二吸附劑區(qū)；和位于所述的第一吸附劑區(qū)和所述的第二吸附劑區(qū)之間的第三吸附劑區(qū)，所述的第三吸附劑區(qū)含有所述的第一吸附劑和第二吸附劑的混合物的轉(zhuǎn)換區(qū)，所述混合物在貫穿該區(qū)域時(shí)其組成是變化的。
2.權(quán)利要求1的吸附劑床，其中所述轉(zhuǎn)換區(qū)體現(xiàn)了所述混合物從一個(gè)所述吸附劑區(qū)到另一個(gè)所述吸附劑區(qū)的逐級(jí)變化。
3.權(quán)利要求1的吸附劑床，其中所述第一吸附劑顯示出的平均粒徑與所述第二吸附劑的平均粒徑不同。
4.權(quán)利要求1的吸附劑床，其中所述第三吸附區(qū)的最小厚度至少為20倍顆粒直徑。
5.權(quán)利要求1的吸附劑床，其還含有含第三種吸附劑的至少一個(gè)附加吸附劑區(qū)。
6.權(quán)利要求5的吸附劑床，其還含有至少一個(gè)附加混合轉(zhuǎn)換區(qū)，夾在所述吸附劑附加區(qū)之間。
7.權(quán)利要求1的吸附劑床，其中所述第三吸附區(qū)劑顯示在從所述第一區(qū)到所述第二區(qū)的方向上，所述第一吸附劑的百分比從100％變化到0％，以及在從所述第二區(qū)到所述第一區(qū)的方向上，所述第二吸附劑從100％變化到0％。
8.權(quán)利要求1的吸附劑床，其中所述吸附劑床是軸向或者徑向床。
9.向吸附劑床裝填多種吸附劑的設(shè)備，包括向吸附劑床運(yùn)送多種吸附劑的進(jìn)料管設(shè)備；與吸附劑床有關(guān)的進(jìn)料管設(shè)備的移動(dòng)設(shè)備；和為了在裝填過(guò)程中，將所述多種吸附劑進(jìn)料，以在第一吸附劑層和第二吸附劑層之間產(chǎn)生混合吸附劑區(qū)的設(shè)備。
10.權(quán)利要求9的設(shè)備，其中所述進(jìn)料管設(shè)備繞著中心軸轉(zhuǎn)動(dòng)，并且至少包括第一通道和第二通道，所述進(jìn)料設(shè)備包括沿著第一通道和第二通道長(zhǎng)度上的重疊區(qū)中的一組孔，以便在第一通道中的第一吸附劑和在第二通道中的第二吸附劑，在它們分別從所述的這一組孔出來(lái)時(shí)混合在一起的。
全文摘要
本發(fā)明包括一種吸附劑床構(gòu)型,該吸附劑床進(jìn)而包含至少兩個(gè)吸附劑或者均一組成的吸附混合物區(qū)域,其中這樣的區(qū)域被一個(gè)轉(zhuǎn)換區(qū)分開(kāi),該轉(zhuǎn)換區(qū)含有相鄰區(qū)中物質(zhì)的逐級(jí)混合物。這些層狀床區(qū)的界面不一定必須與吸附劑中的主分離區(qū)相一致。本發(fā)明還包括了一種可以向各個(gè)吸附區(qū)裝填吸附劑物質(zhì)的設(shè)備。
文檔編號(hào)B01D53/04GK1344581SQ01133109
公開(kāi)日2002年4月17日 申請(qǐng)日期2001年9月14日 優(yōu)先權(quán)日2000年9月15日
發(fā)明者J·斯莫拉雷克, J·J·諾沃比爾斯基, M·W·阿克利, F·諾塔羅 申請(qǐng)人:普萊克斯技術(shù)有限公司