CN101553300A - 利用天然存在的沸石的吸附系统及方法 - Google Patents

Abstract

一种吸附系统，其具有吸附床(15)，所述吸附床包括至少两个不同的层(14，16)，所述至少两个不同的层(14，16)具有两种不同的吸附材料，所述吸附材料中的一种吸附材料为诸如斜发沸石之类的天然沸石。所述斜发沸石尤其适于设置在所述床(15)的出口端(13)处。

Description

利用天然存在的沸石的吸附系统及方法

本申请是以美国Donaldson公司和美国公民Donald H.White、William P.Weber及Brian G.McGiIl的名义于2007年7月25日递交的PCT国际专利申请，其中Donaldson公司为指定除美国之外的所有国家的申请人，而Donald H.White、William P.Weber及Brian G.McGiIl仅为指定美国的申请人，且本申请主张于2006年7月26日递交的美国专利申请序列号为60/820,420的美国临时专利申请的优先权。

技术领域

本发明涉及从含有一种或多种物质的气体中去除所述物质的系统和方法。尤其是，本发明涉及这样的系统和方法，其利用吸附材料从所述气体中吸附一种或多种物质。

背景技术

在各种商业和工业装置中，在气体可以用于特定目的前，必须从所述气体中去除一种或多种物质。例如，在压缩空气可以用于驱动动力工具之前，必须从所述压缩空气中将任何的水分或水蒸汽去除，否则所述工具将会锈蚀。同样，被有毒或有害物质污染的空气在被吸入之前，必须将所述物质去除。

多种类型的装置可以用来从气体中去除一种或多种物质。一种尤其有效类型的装置为熟知的变压吸附系统。这种系统引导气体流动穿过由吸附(或吸着)材料制成的床。吸附材料为一种吸附(即吸收或吸附)特定物质的材料。在吸附阶段，在预定压力下引导含有所述物质的气体(即进入的气体)穿过容纳有所述吸附床的吸附室，随后由所述吸附材料吸附所述物质。如美国专利No.2,944,627(该专利是被最广泛认可的、与变压吸附装置相关的专利之一)所教导的，当所述物质被所述吸附材料吸附之后，吸附热加热吸附床且所述热量被保存。因为所述物质由所述吸附材料所吸附，所以降低了排出的气体所含有所述物质的水平，且优选地所述排出的气体不含有所述物质。

为了延长这些吸附系统的使用寿命，提供了带第二吸附床的第二吸附室。然后，将进入的气体从所述第一吸附室再引导至第二吸附室，在第二吸附室中由第二吸附室中的吸附材料吸附所述物质。随后，进行第一吸附室中的吸附床再生，即清除或剥落先前已从气体中吸附的所述物质。在所述再生阶段，第一吸附室一般被减压，且来自第二吸附室的部分排出的气体被引导返回穿过第一吸附室，以清除吸附床上的所述物质。如美国专利No.2,944,627所教导的，在吸附阶段于第一吸附室的吸附床中产生的吸附热被充分彻底地用于在再生阶段从吸附床上除去被吸附的物质。随后通过排气口将现在含有大量先前由吸附床吸附的所述物质的净化用气体排出。一旦第一吸附室中的吸附床完全不含有所述物质，则在第二吸附室再生的同时，可以对第一吸附室再加压且可以再引导排出的气体穿过第一吸附室。所述变压吸附系统可以在一持续的时间段内在第一和第二吸附室的吸附阶段和再生阶段之间持续进行循环。

尽管这些系统是有效的，但是它们具有某些不希望有的特性。例如，必须引导返回穿过吸附室以进行吸附床再生的部分排出气体量可能是非常大的。例如，可能有约15％-67％的进入气体被用作进行吸附床再生的净化用气体。结果，极大地降低了可用于期望用途的排出气体的量。

在美国专利No.5,213,593中尝试了解决这些系统中存在的各种问题。不过总是留有其它的改进空间。

发明内容

本发明涉及通过吸附空气和气体中的水蒸汽和其它气态污染物来对所述空气和气体进行净化的各种系统。尤其是，本发明提供了这样一种系统，其为变压吸附系统，所述变压吸附系统具有至少一个吸附床，所述至少一个吸附床具有至少两种吸附材料，所述两种材料以不同层存在。在另一方面，本发明提供了这样一种系统，其为变温或变热吸附系统，所述变温或变热吸附系统具有至少一个吸附床，所述至少一个吸附床具有至少两种吸附材料，所述两种材料以不同层存在。对于这两种系统，在室的出口端处的吸附材料优选为天然存在的沸石，诸如斜发沸石。出于类似的缘由，也可考虑其它材料。

附图说明

图1是表示各种吸附材料或吸着材料的水蒸汽吸附性能的图表。

图2是变压整洁吸附床的示意图。

图3是变热整洁吸附床的示意图。

具体实施方式

本发明涉及各种这样的系统：其利用包括不同吸附材料层的吸附系统，通过吸附空气和气体中的水蒸汽和其它气态污染物来进行所述空气和气体的净化。所述吸附材料中的至少一种为天然存在的沸石，诸如斜发沸石。

尤其是，本发明提供了这样的变压系统和变热系统，其包括具有至少两种吸附材料的吸附床，所述两种吸附材料以不同的层来呈现。在某些实施方式中，在室的出口端处的吸附材料为天然存在的沸石，诸如斜发沸石(其为针对分子污染物具有显著吸附能力的结晶沸石中间物)。其它可利用的天然存在的沸石包括菱沸石和铯绿柱石。出于类似的缘由，也可以考虑其它材料。图1示出了各种吸附材料或吸附材料的水蒸汽吸附等温线。尽管在该图上并未具体指出，但是诸如斜发沸石之类的沸石具有与该图上的分子筛大体类似的平衡容量。

斜发沸石为在数百万年前于火山湖中形成的天然沸石或分子筛材料。斜发沸石为具有能吸附大量湿气的微孔的结晶硅酸铝。斜发沸石与另一更熟知的沸石(即祖母绿)相类似，但是斜发沸石更便宜。斜发沸石是一种非常硬的材料(例如硬岩)，其在保持低磨损的同时具有非常高的压碎强度。由于斜发沸石的高压碎强度且耐破裂、耐破碎或在压力下性能不易降低，因此斜发沸石有利地设置在填料床的底部(或其它较低水平)。所述沸石(例如斜发沸石等)可以用作吸附床中的吸附器。

斜发沸石具有高的单位体积热容量，其要高于合成吸附材料，所以斜发沸石可以在更小体积的填料床中吸收更多的热。此外，以单位体积为基准，斜发沸石从相对湿度为30％(和低于30％)水平下吸附湿气的性能要高于合成吸附材料。

由于吸附床的出口处的相对湿度低于入口处的相对湿度，所以通过在吸附床的出口(或者半个出口)处设置天然存在的沸石(例如斜发沸石)，能增进从气流中除去湿气。以单位体积为基准，采用较少的沸石(例如斜发沸石)就可除去所述湿气。因此，可以采用体积更小的床。

依据本发明，所述填料床系统包括至少两个不同的吸附材料层。使用天然沸石并结合其它吸附材料(诸如合成吸附材料)的优点包括流出物露点的降低和系统成本的全面降低。例如，一些商业用吸附材料可能是0.90美元/磅，而斜发沸石则非常便宜，通常约为0.05美元/磅。利用斜发沸石或其它天然的沸石代替任意量的昂贵吸附材料都将降低床的整个成本。

引入天然存在的沸石所能带来的另一成本降低是床(例如干燥塔、干燥容器等)的整个成本降低。因为以单位体积为基准，斜发沸石和其它天然沸石能比合成吸附材料去除更多的湿气，所以可以缩减床(例如干燥塔)的体积和/或长度。这可导致系统的流动速率增加，减少干燥剂颗粒的粉化，这可使任何下游物理过滤器的寿命得以延长。

可以相信的是，在整个吸附床中低至10％(体积百分率)水平的斜发沸石依然会提供改善的处理状况。在许多实施方式中，斜发沸石不超过床的约80％或90％。在一些实施方式中，斜发沸石所占的体积为20％-60％，经常约为30％-50％。

变压吸附系统和变热吸附系统的整体结构和操作大体是已熟知的，在此不再描述。然而，参照附图，示出了两个示范性系统，它们采用具有至少两种吸附材料的吸附床或室，其中一种所述吸附材料为天然存在的沸石，诸如斜发沸石。

在图2中，示出的系统10包括罐或容器12，其具有如图所示取向的顶端11和底端13。容器12具有处于所述顶端11和底端13之间的用于容置一定量吸附材料的内部空间15。在该实施方式中，系统10包括第一吸附层14和第二吸附层16。

在系统10的一个构造中，底端13为内部空间15的入口，而顶端11为内部空间15的出口。这种构造可称为“变压整洁床”，其具有沿大体向上方向(即出口端设置于入口端的上方)的空气流。应该清楚的是，一些变压整洁床可具有沿相反方向的空气流。

优选地，在该构造中作为下游层的第一吸附层14包括天然存在的沸石(例如斜发沸石)。在该构造中作为上游层的第二吸附层16是第二吸附材料，氧化铝(例如活性氧化铝)是一种合适的吸附材料。

在所示出的该特定构造中，所述两层的体积百分比大体相等(即，各约为50％)。然而，在一些实施方式中，其中的一个层可以比另一个层占据的体积多。

在图3中，示出了另外可替换的系统20，其包括罐或容器22，其具有如图所示取向的顶端21和底端23。容器22具有处于所述顶端21和底端23之间的用于容置一定量吸附材料的内部空间25。在该实施方式中，系统20包括第一吸附层24、第二吸附层26和第三层28。在第一吸附层24和顶端21之间存在着未填充的空间(例如充满空气的顶部)。

在系统20的一个构造中，顶端21为内部空间25的入口，而底端23为内部空间25的出口。这种构造可称为变温或变热整洁床，其具有沿大体向下方向的空气流，即入口端设置于出口端的上方。应该清楚的是，一些变温或变热整洁床可具有沿相反方向的空气流。

在该特定的实施方式中，在该构造中作为下游层的第二吸附层26包括天然存在的沸石(例如斜发沸石)。在该构造中作为上游层的第一吸附层24是第二吸附材料，诸如氧化铝(例如活性氧化铝)。在该实施例中的第三层28是沸石支撑层，由颗粒尺寸比第二吸附层26中的沸石颗粒尺寸更大的沸石材料形成。

第三层28为支撑介质。在许多传统除湿式干燥机中设置有底部封头或底层，所述底部封头或底层填充有与用于吸附的干燥剂相同的干燥剂。因为所述底部封头或底层是最下游的层，所以这种材料决不会遇到湿气，因此这种材料是不必要的花费。斜发沸石由于其增加的压碎强度和低价位，已经被发现是用于床支撑物的非常实用的介质。同时，斜发沸石也能吸附在向下流动的吸附系统中可能抵达层28的微量水蒸汽和其它污染物。

在图3示出的所述特定构造中，第一吸附层24和第二吸附层26的体积百分比大体相等(即，各约为50％)。然而，当考虑第三层28时，所述三层24、26、28之间的体积比约为40∶40∶20。

如上所述，所期望的是，在本发明的所述系统中存在至少两个不同的吸附层(例如系统10的层14和16、以及系统20的层24和26)。尽管使出口端处的层为天然沸石的结构是优选的，但是各吸附层可以是两种或多种吸附材料的组合。对于这类系统，优选地，天然沸石占据吸附床的所述出口端处的层的至少约10％，更优选地至少约为20％，最优选地至少约为30％。具有至少50％体积天然沸石的实施方式也是合适的。已发现，无论是对于变压吸附床还是变温吸附床，通过在入口层(例如系统10的层16、和系统20的层24)采用氧化铝或硅胶、而在出口层(例如系统10的层14、和系统20的层26中)采用斜发沸石，一般可以获得高的整体性能。

对于变压床，诸如图2所示的系统10，其也常被称为变压干燥器，在出口端处的热量保持性能是显著的特点，在该区域设置天然沸石也可额外地有益于湿气吸附容量。

通常都知道，在变压吸附系统中使用的吸附床的出口区域主要用于保持吸附过程中释放的吸附热。需要这种热，以在变压系统的再生阶段有效进行吸附床再生。与商业用的合成吸附材料相比，斜发沸石和其它天然存在的沸石具有更高的热量保持性能，并因此对变压吸附系统的吸附床的出口区域是有益的。

对于变温或变热床或干燥器，诸如图3所示的系统20，出口端构造成在局部低压下吸附水蒸汽，因为所述水蒸汽和其它污染物优先被吸附在吸附床的入口区域。传统上，在变热干燥器的吸附床中通常使用合成活性氧化铝和硅胶，因为它们在高的局部压力下具有高的性能。然而，在局部低压且相对湿度低于20％的情况下，斜发沸石和其它天然沸石提供了改善的性能。

因为在不脱离本发明精神和范围下可以对本发明做出许多实施方式，所以本发明的范围由所附的权利要求限定。

Claims (11)

1.一种吸附床，包括入口、出口以及位于所述入口和所述出口之间的内部空间，所述内部空间容置有包括第一吸附材料的第一吸附层和包括斜发沸石的第二吸附层。

2.根据权利要求1所述的吸附床，其中，所述第二吸附层位于所述第一吸附层的下游。

3.根据权利要求2所述的吸附床，其中，所述第二吸附层邻近所述出口。

4.根据权利要求2所述的吸附床，其中，所述吸附床为变压床，且所述出口位于所述入口的上方。

5.根据权利要求2所述的吸附床，其中，所述吸附床为变热床，且所述出口位于所述入口的下方。

6.根据权利要求1所述的吸附床，其中，所述斜发沸石占据所述内部空间的至少20％。

7.根据权利要求6所述的吸附床，其中，所述斜发沸石占据不超过90％的所述内部空间。

8.根据权利要求7所述的吸附床，其中，所述斜发沸石占据所述内部空间的约30-50％。

9.根据权利要求1所述的吸附床，其中，所述第二吸附层包括至少约30％的斜发沸石。

10.一种吸附床，包括入口、出口以及位于所述入口和所述出口之间的内部空间，所述内部空间容置有包括第一吸附材料的第一吸附层和基本由斜发沸石构成的第二吸附层。

11.一种变压或变热系统，其使用如下的吸附床：所述吸附床包括在所述吸附床的出口处的斜发沸石和在所述吸附床的入口处的另一种不同的吸附材料。

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