使用由沸石相和粘合劑組成的集成吸附劑的變壓吸附方法
2023-10-04 11:43:44
專利名稱：使用由沸石相和粘合劑組成的集成吸附劑的變壓吸附方法
技術領域：
本發明涉及一種用於分離氣流，特別是主要含有氧氣和氮氣的氣流例如空氣的PSA型方法，特別是VSA型方法。
空氣中的氣體如特別是氧氣和氮氣在工業上是非常重要的。目前，用於生產這些氣體的非低溫技術之一是被稱之為PSA(變壓吸附)的技術，其不僅包括PSA方法本身，而且包括類似的方法，如VSA(變真空吸附)或MPSA(混合型變壓吸附)方法。
根據此PSA技術，當要分離的氣體混合物是空氣而要回收的組份是氧氣時，所說的氧氣是藉助優先吸附至少氮氣的方法使用至少優先吸附氮氣並在分離區經過一定的壓力循環的材料從所說的氣體混合物中分離出。
在所說的分離區出口處回收幾乎未被或完全未被吸附的氧氣；通常其純度大於90％，或甚至超過93％。
更一般地，非低溫分離氣體混合物的PSA方法周期性地包括下列步驟，其中該混合物包括被優先吸附在吸附劑材料上的第一種化合物，和比第一種化合物被次優先吸附在所述吸附劑材料上的第二種化合物，以便生產所說的第二種化合物，-在被稱之為「高壓」的吸附壓下，在所說的吸附劑材料上至少優先吸附所說的第一種化合物，同時回收按照這種方式產生的至少一些第二種化合物；-在低於吸附壓且被稱之為「低壓」的解吸壓力下解吸用這種方法由吸附劑俘獲的第一種化合物；-通過逐步從所說的低壓改變到所說的高壓，再壓縮含有吸附劑的分離區。
然而，已知氣體混合物如空氣的分離效率取決於許多參數，特別是高壓、低壓、使用的吸附劑類型和其對要分離的化合物的親合能、要分離的氣體混合物的組成、待分離的混合物的吸附溫度、吸附劑顆粒的大小、這些顆粒的組成和在吸附床裡設置的溫度梯度。
目前，雖然還不能確定其一般行為規律，知道將這些參數與另一種參數聯繫起來是非常困難的，但是人們也知道吸附劑的自然特性對整個過程的效率起著重要作用。
當前，沸石是在PSA方法中最廣泛使用的吸附劑。
沸石顆粒通常含有單價、二價和/或三價金屬陽離子，例如鹼金屬陽離子、鹼土金屬陽離子、過渡金屬陽離子和/或鑭系離子，其在沸石顆粒的合成過程中摻入和/或接著通過離子交換技術插入，也就是說，通常通過將未交換的沸石顆粒或原沸石與含有要摻入沸石結構中的陽離子的一種或多種金屬鹽溶液接觸，接著回收交換的沸石顆粒，也就是說含有一定數量金屬陽離子的沸石來加入上述金屬陽離子。摻入沸石結構中的金屬陽離子相對於全部交換容量的比例，被稱之為交換因子，為0-100％。
此外，對於分離氣體特別是空氣來說在PSA型方法中最廣泛使用的吸附劑是沸石，特別是高度交換至通常含有大於80％，甚至大於95％非常昂貴金屬陽離子尤其是如鋰離子的X和LSX型沸石。尤其是在文獻EP-A-486384、EP-A-606848、EP-A-589391、EP-A-589406、EP-A-548755、US-A-268023、EP-A-109063和EP-A-760248中描述了這種沸石。
然而，所說的方法的性能，尤其是吸附能力或吸附選擇性，和氣體的全部生產成本明顯地隨著在PSA方法中使用的吸附劑而變化。
因此本發明的目的是提供一種分離氣體的方法，特別是使用由沸石相和至少一種粘合劑組成的集成吸附劑分離空氣中氣體的PSA方法，可以比使用現有技術的吸附劑的方法產生更好的性能。
因此本發明涉及分離氣流的PSA方法，該氣流包括至少一種優先吸附在至少一種吸附劑上的第一種氣體化合物，和至少一種比所說的第一種氣體化合物次優先吸附在至少所說的吸附劑上的第二種氣體化合物，所說的吸附劑是由主要含有沸石相和至少一種粘合劑的集料形成的，其特徵在於所說的吸附劑含有元素Si、Al、Li、Na、Mg、K和Ca，在所說的吸附劑中所說元素的全部比例是-Si/Al比為1-2.4，-Na/Li比為0.012-0.300，-Mg/Li比為0.012-0.400，
-Ca/Li比為0.012-0.200，-和K/Li比為0.001-0.060。
所給元素的比例或百分比(％)是以相對於出現在集成吸附劑中的元素Li、Na、Mg、K和Ca的總量表示的。
根據情況不同，本發明的集成吸附劑可以包括一種或多種下列特性-粘合劑包括由矽鎂土、膨潤土、高嶺土或其混合物形成的粘土，或類似的粘土。
-Si/Al比為1.15-1.70。
-吸附劑含有八面沸石，優選X或LSX(低矽X)型沸石。
-Na/Li比為0.015-0.250，Mg/Li比為0.037-0.327，Ca/Li比為0.024-0.145和/或K/Li比為0.001-0.036。
-Na/Li比為0.018-0.230，Mg/Li比為0.050-0.267，Ca/Li比為0.038-0.100和/或K/Li比為0.001-0.025。
-吸附劑含有50-85％的元素Li，1-25％的元素Na，1-20％的元素Mg，1-10％的元素Ca和0.1-3％的元素K。
-吸附劑含有55-82％的元素Li，2-20％的元素Na，3-18％的元素Mg，2-8％的元素Ca和0.1-2％的元素K。
-吸附劑含有60-81％的元素Li，2.5-15％的元素Na，4-16％的元素Mg，3-6％的元素Ca和0.1-1.5％的元素K。
-粘結劑質量比例至多為吸附劑顆粒總質量的30％，優選至多為25％。
-要分離的氣流包括氮氣和至少一種極性較低的化合物，特別是氧氣和/或氫氣，且優選地，該氣流是空氣，第一種氣體化合物是氮氣而第二種氣體化合物是氧氣。在本發明的範圍內，空氣是在建築物內或加熱的或未加熱的室內空氣，或外界空氣，也就是說在大氣條件下未經處理或視具體情況而定經過預處理的空氣。
-第一種氣體化合物是氮氣而第二種氣體化合物是氧氣；產生富氧氣流，也就是說，氣流通常包含至少90％氧氣。
-它屬於VSA型(變真空吸附)。
-吸附高壓為105-107帕，優選約105-106帕，和/或解吸低壓為104-106帕，優選約104-105帕。
-進料溫度為10-80℃，優選25-60℃。
本發明也涉及一種可以在上述方法中使用的集成吸附劑，其特徵在於所說的集成吸附劑是以集合形式存在，主要包括沸石相和至少一種粘合劑，其特徵在於吸附劑含有元素Si、A1、Li、Na、Mg、K和Ca，在所說的吸附劑中所說元素的全部比例是-Si/Al比為1-2.4，-Na/Li比為0.012-0.300，-Mg/Li比為0.012-0.400，-Ca/Li比為0.012-0.200，-和K/Li比為0.001-0.060。
本發明還涉及一種能進行PSA方法如上述方法的裝置，包括至少一個吸附器，且優選1-3個吸附器，尤其是具有徑向幾何形狀的吸附器。
應該注意本發明也應用於使用幾種吸附器方法例如多床層方法中的每個吸附器。
現在將藉助於舉例說明給出的實施例更詳細地描述本發明，但是並不意味著對本發明構成任何限制。實施例吸附劑A-G，主要含有沸石相和粘合劑，其有關元素鋰、鈉、鎂、鈣和鉀的組成在下面表I中給出(Si/Al比為大約1.72)，其用作通過吸附分離空氣中氣體的VSA型方法中的吸附劑，以便產生純度大約為93％的氧氣。
在吸附劑A-G中粘合劑的比例大約為20％和沸石相為X型。
表I集合珠的組成
百分比(％)相對於存在於吸附劑中的元素Li、Na、Mg、Ca和K的總量。在這些試驗中，進行VSA方法的條件如下-平行運行的2個吸附器；
-吸附壓力1.4×105帕-解吸壓力0.4×105帕-進料空氣的溫度大約為35℃。
-吸附劑沸石A-G的床；吸附劑A-E不屬於本發明範圍，而吸附劑F-G與本發明一致。
-生產周期2×近似40秒性能，也就是說試驗吸附劑A-G得到的VSA方法的生產率和生產量在下面以指標值(參照物是吸附劑A)的形式在表II中給出。
生產率(以％表示)被定義為包含在生產的氧氣中的純氧數量與引入的純氧數量之比。
生產量(以m3[stp]/h/m3吸附劑表示)被定義為包含在生產的氧氣中的純氧數量與該生產中使用的吸附劑的數量(體積或質量)之比。
表IIVSA方法的性能
id結果與吸附劑A相同。
獲得的結果表明本發明的吸附劑即吸附劑F和G得到了最好性能(生產率和生產量)。
本發明不限於從空氣中生產氧氣的領域，並可以相應地適用於分離其它氣流，如特別是含有氫氣、二氧化碳和/或一氧化碳的氣流，特別適用於合成氣的生產。
權利要求
1.用於分離氣流的PSA方法，該氣流包括至少一種優先吸附在至少一種吸附劑上的第一種氣體化合物和至少一種比所說的第一種氣體化合物次優先吸附在至少所說的吸附劑上的第二種氣體化合物，所說的吸附劑是由主要含有沸石相和至少一種粘合劑的集料形成的，其特徵在於所說吸附劑含有元素Si、Al、Li、Na、Mg、K和Ca，在所說的吸附劑中所說元素的全部比例是-Si/Al比為1-2.4，-Na/Li比為0.012-0.300，-Mg/Li比為0.012-0.400，-Ca/Li比為0.012-0.200，-和K/Li比為0.001-0.060。
2.根據權利要求1的方法，其特徵在於Si/Al比為1.15-1.70。
3.根據權利要求1或2的方法，其特徵在於吸附劑含有八面沸石，尤其是X或LSX型。
4.根據權利要求1-3中任一項的方法，其特徵在於Na/Li比為0.015-0.250，Mg/Li比為0.037-0.327，Ca/Li比為0.024-0.145和/或K/Li比為0.001-0.036。
5.根據權利要求1-4中任一項的方法，其特徵在於吸附劑含有50-85％元素Li，1-25％元素Na，1-20％元素Mg，1-10％元素Ca和0.1-3％元素K。
6.根據權利要求1-5中任一項的方法，其特徵在於吸附劑含有55-82％元素Li，2-20％元素Na，3-18％元素Mg，2-8％元素Ca和0.1-2％元素K。
7.根據權利要求1-6中任一項的方法，其特徵在於粘結劑質量的比例為吸附劑顆粒總質量的至多30％，優選為至多25％。
8.根據權利要求1-7中任一項的方法，其特徵在於它是屬於VSA型。
9.根據權利要求1-8中任一項的方法，其特徵在於要分離的氣流含有氮氣和至少一種極性較低氣體化合物，特別是氧氣和/或氫氣，且優選地，氣流是空氣，第一種氣體化合物是氮氣和第二種氣體化合物是氧氣。
10.能使用在權利要求1-9中任一項的方法的集成吸附劑，其特徵在於所說的集成吸附劑是以主要含有沸石相和至少一種粘合劑的集料形式存在，其特徵在於所說的吸附劑含有元素Si、A1、Li、Na、Mg、K和Ca，在所說的吸附劑中所說元素的全部比例是-Si/Al比為1-2.4，-Na/Li比為0.012-0.300，-Mg/Li比為0.012-0.400，-Ca/Li比為0.012-0.200，-和K/Li比為0.001-0.060。
全文摘要
本發明涉及用於分離氣流如空氣的PSA方法,該氣流含有優先吸附在一種吸附劑上的第一種氣體化合物如氮氣,和比所說的第一種氣體化合物次優先吸附在所說的吸附劑上的第二種氣體化合物如氧氣。吸附劑由含有沸石相和粘合劑的集料形成,並含有元素Si、Al、Li、Na、Mg、K和Ca,在所說的吸附劑中這些元素的全部比例是:Si/Al比為1—2.4,Na/Li比為0.012—0.300,Mg/Li比為0.012—0.400,Ca/Li比為0.012—0.200和K/Li比為0.001—0.060。
文檔編號B01D53/047GK1249961SQ99119780
公開日2000年4月12日 申請日期1999年8月20日 優先權日1998年8月21日
發明者J·拉伯斯奎, B·勒多斯, S·莫裡奧 申請人:液體空氣喬治洛德方法利用和研究有限公司