CN103313769A - 用于空气净化的沸石组合物 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及沸石基吸附剂材料,以100质量%计,其包含:非零量的选自X沸石或LSX沸石的沸石;其余的至100质量%的非零量的阳离子交换的沸石,所述阳离子交换的沸石选自阳离子交换的X沸石或阳离子交换的LSX沸石。
Description
本发明的目的是提供由大气空气构成的气流在所述空气的深冷分离(特别是通过低温蒸馏)之前的预处理或净化方法。
已知大气空气包含在将所述空气引入空气分离单元的冷箱的热交换器之前必须除去的化合物,特别是化合物二氧化碳(CO2)、水蒸气(H2O)、烃(CnHm)和氮氧化物。
这是因为,在不存在用于从中除去其CO2和水蒸气杂质的这种空气预处理的情况下,在将空气冷却至低温的过程中这些杂质冷凝和凝固成冰,这导致设备、特别是热交换器、蒸馏塔等堵塞的问题。
此外,也通常除去空气中易存在的烃杂质以避免损坏该设备、特别是位于冷箱下游的蒸馏塔的任何危险。
目前,视情况而定,通过TSA(变温吸附)法,即温度改变的吸附法,或通过PSA(变压吸附法),即压力改变的吸附法,进行空气的这种预处理;术语“PSA法”被理解为是指PSA法本身、VSA(真空变压吸附)法或VPSA(真空/变压吸附)法,即在再生过程中置于真空下的吸附法。
本发明基本涉及TSA法。
照惯例,用于净化空气的TSA工艺循环包含下述阶段:
a)通过在超大气压(3×105Pa至35×105Pa(3巴至35巴绝对压力))和环境温度(5℃至50℃)下吸附杂质,净化空气,
b)将吸附器减压至大气压(实际上甚至低于大气压),
c)在大气压下,特别是通过来自空气分离单元并使用一个或多个热交换器再热至高于70℃的温度的残余气体或废气、通常是不纯氮气使吸附剂再生,
d)将吸附剂冷却至环境温度或低于环境温度,特别是通过在其中继续引入来自空气分离单元但没有再热的所述残余气体,
e)用例如来自在生产阶段的另一吸附器的净化空气将吸附器再增压。
根据下游工艺和/或运行条件,可存在许多其它形式;例如,可省略冷却阶段,可以用湿空气进行再增压,可以在中等压力下进行再生,等等。
通常,空气预处理装置包括交替运行的两个吸附器,即吸附器之一在生产阶段,同时另一个在再生阶段。
特别在文献US-A-3738084和FR-A-7725845中描述了这样的空气净化TSA法。
通常,在一个或多个吸附剂床、优选数个吸附剂床、即通常用于优先捕获水的第一吸附剂的床(例如活性氧化铝床、硅胶床或沸石床),和用于优先捕获CO2的第二吸附剂的床(例如沸石上)进行CO2和水蒸气的脱除。就此而言,可以特别提到文献US-A-5 531 808、US-A-5 587 003和US-A-4 233 038。
因此,通常使用13X类型的沸石除去CO2,因为沸石13X被认为特别有效捕获少量CO2和可能捕获水,因为其对这些极性分子表现出强的和选择性的亲合力。此外,沸石X表现出最大的微孔直径,这使得其可以以良好的动力学吸附动力学直径为最多0.8纳米的分子。
但是,沸石13X不能捕获气流中易存在的所有有害分子。
这是因为,被沸石13X吸附的气体分子基本是(按递增的亲合力):甲烷、乙烷、丙烷、一氧化二氮、乙烯、二氧化碳、丁烷、丙烯(C3H6)、乙炔(C2H2)、甲苯和甲基环己烷。
因此,严格设计成用标准沸石13X捕获二氧化碳的工业单元仅部分捕获乙炔、丙烷和一氧化二氮。
Si/Al比为1的LSX市场能够显著改进CO2的捕获,但上述其它杂质的捕获低得多。
就其本身而言,使用钙交换和/或钡交换的沸石能够改进乙烯和/或丙烷和/或一氧化二氮的捕获,但以牺牲CO2的捕获为代价。
然后,术语沸石X(或NaX或13X)用于表示其大部分阳离子是钠阳离子的沸石X,术语沸石LSX用于表示,如上解释,Si/Al比为1或大约1、其大部分阳离子是钠和/或钾阳离子的沸石X。
为实现所需水平的残留杂质,如今使用三种类型的解决方案:
-使用在CO2捕获方面超裕度设计的NaX(13X标准)或LSX床
-使用NaX的或LSX的双床,然后是钙交换或钡交换的沸石床
-使用旨在捕获CO2、C2H4、N2O和C3H8至所需阈值的部分钙交换或钡交换的沸石的床
WO 03/041858阐述了后一方法。
使用单床而不是多个床的主要优点在很大程度上与径向吸附器的使用相关。
这是因为,每一类附加吸附剂都导致存在用于将吸附剂固定就位的附加分离丝网,这使所述吸附器的制造变复杂。
由此,根据所选类型的解决方案,可以获得大约500ppb至100ppb的残留CO2含量以及大约75%至99%的乙烯捕获度、50%至99%的丙烷捕获度和65%至97-98%的N2O捕获度。
考虑到空气中二次杂质的含量为几十到几百ppb,这些杂质的残留量按绝对值计非常低,为ppb级。
新型的低压低温法或对较高水平的安全性或可靠性的考虑导致希望限制引入深冷装置中的总杂质量。
由于残留水含量本身非常低,因此显著降低CO2的残留含量(降低一个数量级)确实更适当。
上列三种解决方案适合这种新情况:
-NaX或LSX床的超规格以获得例如10ppb CO2,
-NaX或LSX的第一床的超规格,
-交换沸石床的超规格。
这三种解决方案具有它们的缺点:第一和第三种解决方案的大体积,其中二次杂质(C2H4、C3H8、N2O)的残留含量低于所需水平,因为该尺寸是为CO2标定的;在第二种解决方案中用于捕获CO2和二次杂质的双床在径向吸附器的情况下具有相应的复杂性。
由此开始,提出的问题在于提供改进的空气净化法,即,其可以使吸附剂的总体积最小化并保持用于以该方法所需的水平捕获所有杂质(包括水)的最低床数(最多1或2)。
本发明的解决方案是一种沸石基吸附剂材料,以100重量%计,其由下述物质构成:
-非零比例的选自沸石X或沸石LSX的沸石;和
-其余的至100重量%的非零比例的阳离子交换的沸石,所述阳离子交换的沸石选自阳离子交换的沸石X或阳离子交换的沸石LSX。
在本发明中,术语“阳离子交换”是指所考虑的阳离子是与沸石的(沸石相)的四面体AlO2 -单元关联的那些,该交换的阳离子在要除去的气体化合物的吸附机制中起作用。
同样地,术语“可交换的阳离子”是指可通过离子交换法被其它阳离子取代或替代的阳离子。
术语“阳离子x的交换程度”是指相对于总阳离子的总电荷数,沸石中存在的阳离子X携带的电荷数。交换程度为0%至100%不等。阳离子携带的总正电荷等于AlO2 -基团携带的总负电荷。化学计算量对应于这种总电荷。
应该指出,根据所需残留杂质含量和要净化的空气的组成测定沸石X或LSX和交换沸石的量。
视情况而定,本发明的吸附剂材料可表现出一种或多种下列特性:
-该混合物由下述粒子形成:所述粒子由附聚在一起的沸石X或LSX的晶体和阳离子交换的沸石的晶体构成;
-该混合物由沸石X或LSX的粒子和阳离子交换的沸石的粒子形成;术语“粒子”是指尺寸为数百微米至数毫米并具有各种形状、优选短棒形、丸粒或基本球形珠粒的固体;
-该阳离子交换的沸石被钙、钡、镁、锶和/或锂阳离子交换,优选被钙和钡阳离子交换;
-该阳离子交换的沸石被钙阳离子交换10至90%和被钡阳离子交换10至90%,优选被钙阳离子交换10至50%和被钡阳离子交换10至50%,再更优选被钙阳离子交换15至40%和被钡阳离子交换15至40%;
-沸石X或LSX和阳离子交换的沸石均匀或几乎均匀地分布在所述材料中。
本发明的另一主题是包含本发明的吸附剂材料的吸附器。
该吸附器优选是径向吸附器。
此外,本发明的吸附剂材料被置于单床中;或所述吸附器包含第一床和第二床,所述第一床可以从气流中至少部分除去水,所述第二床包含本发明的吸附剂材料。如果选择第二备选方案,第一床可包含活性氧化铝、硅胶或筛(沸石)。
本发明的另一主题是使用本发明的由沸石X或LSX和阳离子交换的沸石的混合物构成的沸石基吸附剂材料净化或分离气体或气体混合物的方法。
视情况而定,本发明的净化或分离法可表现出一个或多个下列特征:
-该气体是空气,优选为要通过深冷单元分馏的空气;
-除去选自CO2、乙烯、丙烷和N2O的至少第一杂质;
-除去选自水、丁烷和乙炔的至少第二杂质;
-所述方法是TSA法;
-吸附压力为3至35巴绝对压力,优选3至10巴绝对压力,吸附温度为5℃至50℃,吸附时间为30至480分钟,优选60至180分钟,再更优选90至150分钟;
-再生温度为70℃至200℃,优选100至160℃,再生压力小于5巴绝对压力,优选在大气压附近;
-吸附剂的再生气体是氮气或包含低氧气比例(数个体积%)的氮气氧气混合物;优选地,用于再生吸附剂的氮气/氧气混合物是来自空气的深冷分离单元的残余气体或废气;
-本发明的方法在至少一个吸附器中、优选在交替运行的至少两个吸附器中进行。
本发明还涉及沸石基吸附剂材料的第一制造方法,该沸石基吸附剂材料由混合物构成,该混合物由下述粒子形成:该粒子由附聚在一起的沸石X或LSX的晶体和被钙和钡阳离子交换的沸石X或LSX的晶体构成,其中:
(a)通过使包含钠和/或钾阳离子的沸石X或LSX与包含钙和/或钡离子的溶液接触而对其施以至少一次离子交换,
(b)如果必要,重复阶段(a)直至实现对各所述钡和钙阳离子所需的交换程度,
(c)回收被钙和钡阳离子交换的沸石X或LSX的晶体;
(d)使获自阶段(c)的被钙和钡阳离子交换的沸石X或LSX的晶体与沸石X或LSX的晶体附聚,以形成附聚粒子,和
(e)进行热处理,以干燥和活化所述粒子。
术语“活化”是指通过加热基本除去遮掩活性位点的水分子,而不破坏该沸石的结晶结构。加热速率、加热时间和最大温度取决于沸石的性质。
在阶段(a)中,优选使用pH小于大约6的钙和/或钡盐的溶液、例如氯化物溶液进行离子交换。
例如通过使整个沸石浸没尽可能短的时间来使沸石与该盐溶液接触,以提供沸石中的离子的均匀交换。
在另一形式中,可以将粉状沸石搅拌悬浮在水中,然后缓慢加入钙和/或钡盐的溶液,进行充分搅拌以使该溶液遍布在悬浮液的体积中。在所有情况下,在有时间发生交换之前,有必要在钙和/或钡盐遍布沸石体积的条件下进行接触操作,以确保钙和/或钡均匀遍布在沸石体中。
盐的摩尔浓度为1M至0.01M,温度为20℃至100℃,接触时间为20分钟至3小时。
在附聚阶段(d)中,可以将沸石与粘合剂(例如粘土、硅胶等)混合。
最后,本发明涉及沸石基吸附剂材料的第二制造方法,该沸石基吸附剂材料由混合物构成,该混合物由沸石X或LSX的粒子和被钙和钡阳离子交换的沸石X或LSX的粒子,这些粒子均匀或几乎均匀地分布在所述材料中。
可以通过经过混合器,连续或分批地进行所述粒子的混合。优选使用:
-分批法,其中:
(a)将沸石X或LSX的粒子和被钙和钡阳离子交换的沸石X或LSX的粒子置于包含至少15%剩余空置空间的容器中,和
(b)绕着与该容器的对称轴不同的轴对该容器施以旋转运动;
-或连续法,其中将各个量的沸石X或LSX的粒子和被钙和钡阳离子交换的沸石X或LSX的粒子同时引入在线混合器中,然后将该混合物送往中间储存设施(料仓)或送往输送容器(鼓、大袋)。
现在就单床径向吸附器的情况描述本发明,即,使用由具有均匀组成的吸附剂材料构成的单床捕获水、CO2、乙炔、乙烯、丙烷、丁烷和N2O直至实现所需残留含量。这种装料也可以捕获空气中可能存在(甚至意外存在)的痕量的其它化合物,例如一些酸性气体或其它易吸附的化合物(NH3、燃烧残留物、VOCs等)。在所述正常杂质中,水被优先吸附,且乙炔和丁烷也被完全捕获在这种装料上。
痕量甲烷和乙烷可能止于干燥的和脱碳酸的气体中,而不在深冷分离单元中构成特定问题。
吸附剂装料的选择因此取决于空气中CO2、C2H4、C3H8和N2O的各自含量和取决于深冷单元入口处要求(为了使其完全可靠和完全安全地运行)的残留含量。
在图1中显示了包含这种吸附剂装料的径向吸附器的运行。
包含上文提到的杂质的待净化的流体1进入径向吸附器10的底部,并经过吸附剂体20,产物在上部2中离开。在再生过程中,再生流体3经由顶部对流地进入,并解吸吸附剂体20中存在的杂质,残余气体4在底部离开。
吸附器本身10由具有垂直轴AA和两端的圆柱壳体构成。吸附剂物料20借助多孔外部丝网11和内部丝网12(也是多孔的)固定就位,这些丝网一方面接合到上端,另一方面接合到下部中的实心金属板13上。气体1在圆柱壳体与外部丝网之间的外部自由区14中沿外围垂直运动,径向横穿吸附剂体20,然后在内部自由区15中垂直运动,然后在顶部附近离开吸附器。反向进行再生。
在上述描述中,在吸附阶段中要净化的气体从外周向中心运动:然后称作吸附中的向心运动。然后离心地进行(即从中心向外进行)相应的再生。这是最常见的构造,但径向吸附器可以以相同方式以相反运动方向使用,也就是说,例如在吸附中,要处理的气体从内向外运行,而在再生中,再生气体从外向内运行。另一可能的布置在于,加入用于将吸附剂体分成两部分的圆形防漏盘。随之可以在一个相同的径向吸附器中例如在吸附阶段中在第一部分吸附剂中离心运动,然后在上部吸附剂中向心运动。
与本发明相关的吸附剂材料20由均匀混合物构成,该混合物一半由LSX(低硅铝比)类型的沸石粒子和一半由CaBaX类型的沸石构成。(其涉及50重量%)。
更具体地,LSX是直径为1.9毫米至2.15毫米且堆积密度为650千克/立方米至665千克/立方米的球形珠粒形式。
CaBaX也是球形珠粒形式,直径为2毫米至2.3毫米且堆积密度为大约700千克/立方米。钙和钡的交换程度为可交换阳离子的20%。除二次化合物外,这种第二吸附剂因此是Na60;Ca20;Ba20X类型的沸石。对取自各吸附剂的5个不同制造批次的5个样品测量这些特性。这两种吸附剂的颜色略微不同,从而可以视觉定位各产品。在装入鼓中之前进行混合,向该鼓中相继装入50%LSX和然后装入50%CaBaX。
由此将鼓填充至它们的最大容积的大约80%,然后在工业鼓混合器中进行混合,对该鼓施加偏心旋转运动。在填充之前和填充过程中提取的小样品显示该混合物的稳定性。在视觉上没有表现出偏析。这证实在实验室中进行的试验的结果。可以具有最多1.21的直径比和1.08的密度比的粒子形成稳定混合物,只要根据业内规则进行鼓的输送、吸附器的填充和该单元的运行条件。
使用50/50混合物能够实现小于10ppb的非常低的CO2残留含量和大约95%的对其它杂质的捕获程度。
使用这些吸附剂的仅一种能够获得所需规格,但以更高的资本成本;更大的吸附剂体积、更大的吸附器为代价。
双床的使用也能优化净化单元,但以提高吸附器的复杂性为代价。特别对最大的径向吸附器而言,辅助丝网的加入造成至关重要的实施问题,特别是固定吸附剂的丝网的逐次连接。
可以在运行条件下由实验室试验选择最佳LSX/CaBaX分布,但其也优选经由市售或文献中充分描述的吸附模拟软件进行。
图1描述了最简单的径向吸附器,其具有由等重量份的LSX粒子和CaBaX粒子构成的单一吸附剂材料。对于相同的沸石基混合物,可以使用双床,在这种情况下优选为用于捕获水的活性氧化铝床和复合沸石基床。在基本情况或双床情况的另一形式中,该沸石基材料可以由LSX和CaBaX的粉末混合物附聚而得的沸石珠粒构成。这种混合物应预先由吸附剂供应商制造,其优选自己制造这两种吸附剂实体。
具有不同组成的吸附剂粒子的混合需要追加的最终混合阶段,但提供了更大的实施灵活性。其还涉及来自不同供应商的两种吸附剂,并可以由现有的商品开始进行混合,这以任何比例进行。
Claims (15)
1.沸石基吸附剂材料,以100重量%计,其由下述物质构成:
-非零比例的选自沸石X或沸石LSX的沸石;和
-其余的至100重量%的非零比例的阳离子交换的沸石,所述阳离子交换的沸石选自阳离子交换的沸石X或阳离子交换的沸石LSX。
2.如权利要求1中所述的材料,其特征在于所述阳离子交换的沸石被钙、钡、镁、锶和/或锂阳离子交换,优选被钙和钡阳离子交换。
3.如权利要求2中所述的材料,其特征在于所述阳离子交换的沸石被钙阳离子交换10至90%和被钡阳离子交换10至90%,优选被钙阳离子交换10至50%和被钡阳离子交换10至50%。
4.如权利要求1至3任一项中所述的吸附剂材料,其特征在于沸石X或LSX和阳离子交换的沸石均匀地或几乎均匀地分布在所述材料中。
5.吸附器,包含如权利要求1至4任一项中所述的吸附剂材料。
6.如权利要求5中所述的吸附器,其特征在于所述吸附器是径向吸附器。
7.如权利要求5或6中所述的吸附器,其特征在于所述吸附器包含吸附剂材料的单床。
8.吸附器,其特征在于所述吸附器包含第一床和第二床,所述第一床可以从气流中至少部分除去水,所述第二床包含如权利要求1至4任一项中所述的吸附剂材料。
9.使用如权利要求1至4任一项中所述的沸石基吸附剂材料净化或分离气体或气体混合物的方法。
10.如权利要求9中所述的方法,其中所述气体是空气。
11.如权利要求9或10中所述的方法,其中除去选自CO2、乙烯、丙烷和N2O的至少一种杂质。
12.如权利要求9至11任一项中所述的方法,其特征在于所述方法是TSA法。
13.制备如权利要求2或3中所述的沸石基吸附剂材料的方法,其中:
(a)-通过使包含钠和/或钾阳离子的沸石X或LSX与包含钙和/或钡离子的溶液接触而对其施以至少一次离子交换,
(b)-如果必要,重复阶段(a)直至实现所需的各所述钡和钙阳离子的交换程度,
(c)-回收被钙和钡阳离子交换的沸石X或LSX的晶体;
(d)-使获自阶段(c)的被钙和钡阳离子交换的沸石X或LSX的晶体与沸石X或LSX的晶体附聚,以形成附聚的粒子,和
(e)-进行热处理,以干燥和活化所述粒子。
14.制备如权利要求2或3中所述的沸石基吸附剂材料的方法,其中:
(a)-将沸石X或LSX的粒子和被钙和钡阳离子交换的沸石X或LSX的粒子置于包含至少15%的剩余空置空间的容器中,和
(b)-绕着与所述容器的对称轴不同的轴对所述容器施以旋转运动。
15.制备如权利要求4中所述的沸石基吸附剂材料的方法,其中:
(a)-将沸石X或LSX的粒子和被钙和钡阳离子交换的沸石X或LSX的粒子同时引入在线混合器中,和
(b)-然后将所述混合物送往中间储存设施或送往输送容器。
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