變溫吸附系統的周期性高溫再生的製作方法
2023-06-16 06:44:36
專利名稱：變溫吸附系統的周期性高溫再生的製作方法
背景技術：
現有技術中教導了將汙染物從氣流中除去的變溫吸附(TSA)系統。TSA系統通常包括以下步驟的重複循環(i)將氣流與選擇用於保留汙染物的吸附劑接觸，從而從氣流中吸附至少一部分汙染物，其中該步驟(i)在初始溫度下進行；(ii)加熱所述吸附劑至再生溫度，從而將步驟(i)中吸附的至少部分汙染物脫附；以及(iii)在開始一個新的循環之前，將吸附劑冷卻至初始溫度。
所述再生溫度通常為40℃-400℃，但是一經選定，該溫度在不同循環之間通常保持基本恆定。參見例如US5531808，US5689974，US5906675，US6106593，US6373939以及EP1226860。
典型地，TSA系統中的吸附床包括乾燥劑層(例如矽膠或礬土)以除去水，這是因為，水對吸附劑吸附汙染物的能力產生不良影響，即使是在ppm水平時。儘管採用了乾燥劑，但是TSA系統中仍然存在水進入吸附劑的問題。特別是就在啟動之前，當吸附劑初始於溼的外周空氣中裝載時，或者當設備故障而水穿過乾燥劑層進入吸附劑層時，該問題的確存在。以往，出現這種情況時要求將吸附劑丟棄，並裝載新的吸附劑。
本發明通過周期性加熱吸附劑至第二再生溫度從而解決了水進入的問題，所述第二再生溫度高於第一再生溫度。在採用的TSA吸附劑對水尤其敏感的情況下，本發明特別有用，例如所述吸附劑含有沸石分子篩。
現有技術中還教導了將汙染物從氣流中除去的變壓吸附(PSA)系統。PSA系統通常包括以下步驟的重複循環(i)使氣流經過含有吸附劑的容器，所述吸附劑被選擇用於保留汙染物從而從氣流中吸收至少一部分汙染物，其中該步驟(i)在初始升高的壓力下進行；(ii)對含有吸附劑的容器進行減壓，從而將步驟(i)中吸附的至少部分汙染物脫附；以及
(iii)在開始一個新的循環之前，將含有吸附劑的容器重新加壓至所述初始升高的壓力。
可以看出，TSA系統的吸附劑再生是通過變溫實現的，而PSA系統的吸附劑再生是通過變壓實現的。因此，PSA系統不包括對吸附劑的周期性加熱。
US5931022教導了一種PSA系統，該系統包括對吸附劑的非循環性加熱。尤其是，US5931022教導了在50-300℃之間對吸附劑進行周期性地加熱，從而解決水進入吸附劑的問題。在US5931022中，採用包括了礬土的吸附劑來去除CO2。本領域技術人員將意識到，至少與對本發明尤其適用的沸石分子篩類型的吸附劑相比，礬土易於脫水。
US4481018教導了採用X類型沸石除去N2的PSA系統。該專利認識到再生氣體流速對於確保沸石的良好N2容量的重要性，所述沸石典型地是Ca交換的X型沸石。該專利的表V中顯示了再生氣體流速或接觸時間對CaX的N2容量的重要性。當再生氣體接觸時間為9秒(0.15分鐘)時，CaX的N2Henry定律常數為2.4mmol/g/atm。當再生氣體接觸時間增加至27秒(0.45分鐘)時，所述N2Henry定律常數降至1.6mmol/g/atm，減少了33％。US4481018沒有教導如本文實施例4所述的再生氣體接觸時間對CO2容量的影響。
發明概述本發明提供了一種經改進的用於從氣流中除去汙染物的變溫吸附方法。本發明的關鍵在於，通過周期性地對吸附劑加熱，加熱所達到的溫度高於通常再生循環所採用的溫度，解決了水進入吸附劑的問題。
發明詳述本發明涉及一種用於從氣流中除去汙染物的變溫吸附(TSA)方法，所述方法包括以下步驟的重複循環(i)將氣流與選擇用於保留汙染物的吸附劑接觸，從而從氣流中吸附至少一部分汙染物，其中該步驟(i)在初始溫度下進行；(ii)加熱所述吸附劑至第一再生溫度，從而將步驟(i)中吸附的至少部分汙染物脫附；以及(iii)在開始一個新的循環之前，將吸附劑冷卻至初始溫度。
本發明對上述方法進行了改進，以解決水進入吸附劑的問題。所述改進包括周期性加熱的步驟，其中將吸附劑周期性地加熱至高於第一再生溫度的第二再生溫度。
在本發明的一個實施方式中，第一再生溫度為40-200℃，而第二再生溫度為200-400℃。在另一實施方式中，第二再生溫度比第一再生溫度至少高50℃。
本發明的周期性加熱步驟的頻率定為與水進入事件的頻率相匹配，例如當吸附劑恰好在啟動之前初始地於溼的外周空氣裝載時，或者當設備發生故障時。因此，本發明的另一實施方式是就在啟動之前和/或就在設備發生故障之後進行所述周期性加熱的步驟。在另一實施方式中，本發明的周期性加熱步驟的頻率由CO2臨界點的閾值控制(例如，當時間平均CO2臨界值超過50-100ppb)。
沸石吸附CO2或N2O的能力對水進入吸附劑尤其敏感。因此，本發明的另一實施方式為所述吸附劑包括沸石(例如NaX，NaLSX，CaX，CaLSX，5A和它們的無粘結劑型)，汙染物包括CO2和/或N2O。
在本發明的另一實施方式中，所述吸附劑為層狀系統，其中包括乾燥劑層(例如礬土，鹼處理的礬土、矽膠、防水凝膠、礬土/沸石複合物以及它們的混合物)和吸附劑層。在另一實施方式中，可以採用多個吸附劑層，其中每一層選擇地用於除去不同的汙染物。例如，當需要同時除去CO2和N2O時，所述吸附劑可以包括第一CO2選擇吸附劑層(例如NaX沸石)和第二N2O選擇吸附劑層(例如CaX沸石)。在另一實施方式中，所得到的乾燥且不含有汙染物的氣體為在低溫分離單元中蒸餾成其構成組分(即O2、N2、Ar等)的氣流。
本發明中原料氣流的溫度適當地為-80至100℃(優選0-60℃，更優選為10-50℃)，而壓力適當地至少為100000N/m2(優選200000-3000000N/m2，以及更優選為200000-1500000N/m2)。所述再生壓力適當地為10000-3000000N/m2(優選為50000-1000000N/m2，但是不論何種情況，優選不超過進料壓力的50％)。在本發明的周期性加熱步驟之前，再生氣體和原料氣體的摩爾比適當地為0.05-0.8，優選0.2-0.5。
以下例子驗證了本發明的其它實施例的有效性。
實施例1NaX沸石廣泛地用於在將空氣進行低溫蒸餾得到其構成組分之前，除去其中的痕量的CO2。商業級NaX沸石的本身的水負荷量通常為1.5重量％。下面的表1顯示了商業級NaX沸石的殘餘水量和再生溫度的關係(通過600℃下的失重來測定)。該表同時還顯示了相對平衡CO2容量，其由空氣中的臨界值確定(100psig，25℃，空氣中含有400ppm的CO2)。
表1
典型地，希望在儘可能低的再生溫度下運行TSA系統。目的是減少系統的能源要求。典型的TSA再生溫度為200℃。如表1所示，NaX沸石在200℃的再生將沸石的殘餘水量減少至1.6重量％，其基本上為賣方提供的產品的本身水負荷量。然而，如果初始裝載的NaX可以在300℃進行再生，則殘餘水負荷將減少至1.2重量％，該系統的CO2容量將提高26％(0.78/0.62)。更驚人的是，如果再生溫度可以達到400℃，則水負荷量降至0.4重量％，CO2容量比200℃下再生的材料增加61％(1.0/0.62)。由於所選擇的TSA設計為2層的系統(乾燥劑層再加上吸附劑層)，因此不再需要初始的高溫再生，除非設備發生故障。本發明的優勢在於，吸附劑起到在高溫下(超過200℃)再生後的材料的功能，但是在該溫度下只需要再生一次，這是因為，乾燥劑在先層(pre-layer)使水不能進入吸附劑中。
實施例2對商業上可以購得的CaX沸石(通常用於將N2O從周圍空氣中除去)重複實施例1。由於CaX比NaX更加強烈地吸收水份，其性能受高的再生溫度的影響更加顯著。
表2
在200℃的再生溫度下，CaX比材料原本的水負荷量高得多。因此，如果具有200℃再生系統的設備發生故障，該系統將不能恢復其初始的CO2容量。如果在300℃進行再生，CO2容量增加39％(0.71/0.51)。在400℃的再生溫度下，CO2容量增加96％(1.0/0.51)。同樣，僅僅一次高溫再生，就可以實現這些大的容量增加。
本領域技術人員將認識到，沸石吸附劑易於受溼熱蒸汽的影響，在熱脫水階段易於喪失能力。實施例3和實施例4說明了恢復沸石的CO2容量比恢復其N2容量需要的再生流量低，或者接觸時間短。在現有技術中並沒有意識到這一點。更低的再生流量導致更低的再生成本和更短的再生時間。
實施例3在該實施例中，商業級CaX沸石在不同的氮氣流速下在400℃下進行再生。再生完全後(16小時)，冷卻樣品，在30℃下測量氮氣吸附等溫線。所得結果參見表3。
表3
所述相對N2容量定義為給定流速下的Henry定律常數(初始等溫線的斜率)與在最高線性再生速度下得到的Henry定律常數的比值。表3的結果顯示了，在高的線性再生流速(短接觸時間)下得到高的N2容量。然而，當再生線速度低於0.37ft/sec(再生接觸時間為1.8)時，N2容量減少了。這表明如果需要CaX的最佳N2容量，則再生流速不應低於大約0.37ft/sec。
實施例4實施與上述實施例3相同的實驗，但是此次測量CO2的容量而不是N2的容量。在25℃以及100psig下，CO2在空氣中的臨界值為400ppm，由此測定CO2容量。結果見表4。
表4
在接種菌絲體後的第96、144、168、186.5、244及284小時，從培養物取樣獲得數個樣品，隨後藉由一常規方法進行過濾，以移除大部分之不溶性物質。以氨水將所獲得之濾出物的pH值調整至7，並進行溼熱滅菌。令所得樣品接受MTT比色分析，其中HeLa、AGS、Hep G2及MCF-7細胞是在1,000、3,000、3,000及3,000個細胞/孔之初始濃度下進行測試。利用未經接種之培養基來作為MTT分析之負對照組。結果示於表4與圖4中。
表4
表4與圖4顯示出，經由將振蕩速率及pH值設定於實施例2及3中所述之優選範圍內，可將依據本發明之樟芝培養法成功地擴大規模至160升之體積。
實施例5在合成培養基中製備樟芝培養物之濾出物將被培養在PDA平板培養基上之樟芝CCRC 930032的整個菌絲體切成小塊，隨後在無菌狀態下，於一均質機(Osterizer)中，利用50ml再生條件下不能保持。
實施例6實施與上述實施例5相同的實驗，但是此次所測試的吸附劑為商業級的NaX沸石，「標準」再生溫度為150℃，如TSA方法所示。
表6
表6的結果顯示，當NaX沸石在200或300℃下進行初始再生，接下來在較低的150℃「標準」TSA再生溫度下再生時，CO2容量與高溫再生之後的一致。表6的最後一列顯示，在初始高溫再生之後在較低再生溫度下進行再生，其CO2容量沒有改變。這是因為，吸附在沸石上的CO2為物理吸附，當加熱至超過100℃的溫度時很容易脫附。在實施例5中，在初始的高溫再生溫度之後進行一系列較低的、標準的再生溫度進行再生後，礬土吸附劑不能保持其高的CO2容量。在300℃下再生之後的樣品又在30℃下進行3個再生周期之後，僅僅保持了初始容量的1.5％。
上述例子包括了從原料氣流中除去CO2和N2O，但是應當認識到，本發明適合從任意原料氣流中除去任意組分。例如，本發明適於在通過低溫蒸餾分離空氣之前，從空氣中除去痕量烴類。痕量烴類包括但不限於，甲烷、乙烷、乙烯、乙炔、丙烷、丙稀和更高沸點的烴類，例如C4+烴類(包括飽和、不飽和以及芳香烴類)。可以採用與除去CO2和/或N2O相同的吸附劑以除去所述痕量汙染物，或者採用不同的優化用於除去所述殘餘的痕量汙染物的吸附劑。作為另一個例子，本發明適用於從包括氫氣和一氧化碳的合成氣流中除去水和CO2的TSA系統。
權利要求
1.一種變溫吸附方法，用於從氣流中除去汙染物，所述方法包括以下步驟的重複循環(i)將氣流與選擇用於保留汙染物的吸附劑接觸，從而從氣流中吸收至少一部分汙染物，其中步驟(i)在初始溫度下進行；(ii)加熱吸附劑至第一再生溫度，從而使步驟(i)中吸收的至少部分汙染物脫附；以及(iii)在開始一個新的循環之前，冷卻吸附劑至初始溫度；改進包括周期性的加熱步驟，其中吸附劑被周期性地加熱至第二再生溫度，該溫度高於第一再生溫度。
2.如權利要求1所述的方法，其中第一再生溫度為40-200℃，第二再生溫度為200-400℃。
3.如權利要求1所述的方法，其中第二再生溫度比第一再生溫度至少高50℃。
4.如權利要求1所述的方法，其中所述周期性加熱的步驟就在啟動之前進行。
5.如權利要求1所述的方法，其中所述周期性加熱的步驟就在設備發生故障之後進行。
6.如權利要求1所述的方法，其中所述周期性加熱步驟的頻率由CO2臨界點的閾值水平控制。
7.如權利要求1所述的方法，其中所述吸附劑包括沸石，汙染物包括CO2。
8.如權利要求7所述的方法，其中步驟(ii)涉及將吸附劑與線速度至少為0.1ft/sec的再生氣流接觸。
9.如權利要求8所述的方法，其中再生氣體為乾燥的富含N2的氣體。
10.如權利要求7所述的方法，其中汙染物進一步包括N2O。
11.如權利要求10所述的方法，其中吸附劑包括用於除去CO2汙染物的第一NaX沸石層，以及用於除去N2O汙染物的第二CaX沸石層。
12.如權利要求1所述的方法，其中吸附劑層狀疊加於乾燥劑層上。
13.如權利要求1所述的方法，其中所述方法生成乾燥的、不含汙染物的氣流，然後該氣流在低溫空氣分離單元中進行蒸餾得到其構成組分。
全文摘要
描述了一種經改進的變溫吸附方法，其對吸附劑進行周期性地加熱，其加熱達到的溫度高於正常再生循環所採用的溫度，從而解決了水進入吸附劑的問題。
文檔編號B01D53/04GK1680000SQ200510054370
公開日2005年10月12日 申請日期2005年3月10日 優先權日2004年3月10日
發明者W·P·施密德特, S·R·奧維爾, M·A·卡爾巴西, T·C·戈登 申請人:氣體產品與化學公司