CN1156061A - 使用多层吸附床的改进的吸附方法和系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种例如从空气或其它进料气体混合物中选择性吸附较易吸附组分如氮气的吸附方法和系统，所述吸附使用一个在分开的各区含有不同吸附材料的复合床来进行，在可应用于每区的工艺操作条件下，每个区的温度条件均适合于具体吸附材料的吸附性能。选择吸附材料的方法以吸附质量因数值为根据。

Description

使用多层吸附床的改进的 吸附方法和系统
本发明总的来说涉及基于气体混合物的组分间的不同极性和可极化性来通过吸附进行气体混合物的分离。更具体地说，本发明涉及变压吸附(PSA)分离方法，其中其固定吸附床包括至少两个区，每个区均含一种与相邻区的吸附剂不同化学组成和吸附强度的吸附剂。每个区中的吸附剂均根据由于所述PSA方法的运作而在床内引起的纵向温度变化来选择。一般来说，对气体混合物中较大极性或较易板化的组分具有较强吸附亲和性的吸附剂应置于具较高温度的床区。
变压吸附(PSA)气体分离方法广泛应用于较低产品率的实践中。只有在要利用很大量氮气和或氧气的地方通过低温蒸馏来从气体混合物诸如空气中进行氮气的分离才能降低成本。因此，很大程度上需要有其它替代的分离方法诸如PSA。在过去三十来年间已提出了大量使用沸石分子筛吸附剂的空气分离方法。因为氮气分子稍大于氧气分子(动力学直径分别为3.64和3.46)，同时因为沸石晶体的孔隙可通过阳离子交换和其它技术来改变，已提出了多种依靠动力学效应的PSA分离(方法)。在东德专利0154690中描述的用锂高度变换形式的沸石A作为选择性吸附氧气的吸附剂的方法就是这种类型的方法。但是，见得最多的是使用大孔沸石吸附剂的N2-O2分离方法，通过沸石阳离子和较大的氮分子的四极矩相互作用氧气和氮气两者均可自由进入这种吸附剂。这些方法的代表是由McKee在美国专利3140932和3140933中提出的方法，其中的吸附剂是锶、钡、镍或锂交换形式的沸石X。在美国专利4557736中，Sircar等人提出了含5-40％Ca++离子和60-95％Sr++离子的混合二价阳离子形式的沸石X的使用。在美国专利4481018中，Coe等人提出只要适当地维持吸附剂活化条件，多价阳离子形式的八面沸石型沸石、特别是Mg++、Ca++、Sr++和Ba++形式的八面沸石型沸石是从空气分离氮气的优良吸附剂。C.C.Chao的更新近的发明(美国专利4859217)使用了由88％以上的锂阳离子交换的沸石X。在15-75℃的温度和50-10000乇的压力下的空气分离中出乎意料地有效。除了沸石X外，也已在空气分离中使用或提出使用众多其它种类的沸石(包括合成沸石和天然沸石)，值得注意的有菱沸石和沸石A。
从上述先有技术公开明显可以看出，对PSA空气分离中吸附剂的选择很大程度上是经验性的。不仅沸石阳离子和吸附物之间相互作用的性质没有完全弄清，而且温度、压力和原料化学组成等工艺操作条件的影响也不知道。构成这一问题的事实是PSA方法来身的操作能在固定床上产生由于环境或原料温度引起的明显的温度差，从而在大多数实用系统中存在较大的温度梯度。因此根据具体操作温度选择的吸附剂可能对应在具有不同温度的床的各个部位并不能很好适合。EP-A 0512781 A1涉及通过吸附去除氮气的效率，但没有考虑吸附剂材料选择和工艺操作条件的联合影响。尽管这样，对简单分离即在基本没有其它强易吸附物质如CO2或H2O的混合物中将N2和O2分离来说，基本上通用的实践方法是使用单吸附剂组合物。一个例外公开于Toussaint的美国专利5203887中，该复合床包括两个吸附区，在其进料端区包含具有高的氮气选择性和吸附能力的吸附剂，而在其出料端区则包含在相同使用条件下具有较低选择性和吸附能力的不同吸附剂。为提高该方法的经济性，主要是减少吸附剂费用和的所需的功率，吸附区只置于床内。但是，Toussaint方法中没有考虑吸附床内的温度梯度。当然先有技术中很多情况是在复合床中进行空气分离处理，床中含有一个用作从进料空气中除去水、二氧化碳和其它污染物的预纯化器的吸附剂区，如在White的美国专利4950311和Leavitt的美国专利5169413中所述。
现已发现作为从较低极性或可极化物质诸如在空气分离中的氧气和氩气分离氮气的常规操作的结果而产生的在PSA吸附床中的温度梯度有利于在含至少两个不同吸附剂区的复合床中使用，每种吸附剂被封闭的床内温度条件和吸附物浓度适合于该区吸附剂性能的某一区中。吸附剂性能通过其可得到的回流比率和通过“吸附质量因数”来衡量，正如下面将进一步详细所述的，它是Δ氮气负载、在各种吸附条件下的选择性和选择性比的乘积。
各种适合于本发明的吸附剂范围依当时温度可从以是强吸附剂至弱吸附剂。本发明的主要目的是提供在适合的温度范围内可最佳地利用两种或多种这些吸附剂的床。
某种给定的吸附剂的强度由分离任务和当时操作条件所决定。在分离任务一定时，要求吸附剂能优先吸附一种或多种较强度被吸附的气体即进料气体混合物中较易被选择性吸附的组分以和一种或多种不那么强地被吸附气体即所述进料气体混合物的不那么易被选择性吸附的组分分离。在给定的压力和温度条件下，强吸附剂是一种在第一处理步骤中很容易吸附所述可较强地被吸附的气体即较易被选择性吸附的组分而在第二处理步骤中不容易释出吸附物的吸附剂。在同样的压力和温度条件下，弱吸附剂是一种在第一处理步骤时只弱吸附可较强地被吸附气体的吸附剂。有效的吸附剂得于该两种极端情况之间，它可适度地吸附那些气体然后可适度地将它们解吸。
通过仔细地选择，在吸附床的各部分使用多层不同的吸附剂，可使该床在不同温度范围工作而达到最佳化。因为较低温度能使吸附剂变强，所以较弱的吸附剂使用在较低温下操作的那些区域。相反，较强的吸附剂被用在较高温下操作的那些区域。如果在床上存在大的温度梯度，在选择床中各层的吸附剂时可考虑这个因素。
因此，本发明定义为从一进料气体混合物中分离较易被选择性吸附的组分即从具较低极性或可极化性物质的混合物中分离氮气的PSA方法和相关系统的改进，其中这种气态进料混合物在含有时氮气或其它较易吸附组分选择性的吸附材料的固定吸附床中接触，它通过下列循环步骤进行。
(a)吸附，在该步骤中进料混合物通入床和吸附剂接触，氮气被选择性吸附，而较低极性或可极化物质从床的出料端回收；和
(b)解压，在该步骤中中断进料混合物输入进床并将床上压力降低以便解吸和作为产品回收氮气吸附物；
步骤(a)和(b)的循环操作在所述吸附床内产生了温度梯度，该改进之处包括所用的固定吸附床是含至少两种对氮气的吸附选择性不同的吸附剂的复合床，每种吸附剂均被封闭在温度条件适合于其性能的床中的一区内，而吸附剂性能通过在可应用于所述区的具体工艺条件包括其可达到的回流比的条件下的其AFM值来衡量。
图1是显示氧气-氮气分离处理中各种沸石X吸附剂的AFM值和吸附床温度之间的关系曲线图。
图2是显示由于氧气-氮气混合的通过而在均匀PSA固定吸附床和复合PSA固定吸附床上不同位置处产生的局部温度曲线图。
图3是沿已通入氮气-氧气原料混合物的均匀固定吸附床和复合固定吸附床，在不同位置处回流比率和氧气的摩尔分数关系曲线图。
图4是氮气-氧气混合物通过复合固定吸附床和均匀固定吸附床时深度和氧气摩尔分数的关系曲线图。
图5是用于从氧气-氮气混合物制备氧气的PSA方法中的复合吸附床的流程示意图。图中也显示了床的温度分布。
本发明是基本在变压吸附操作的吸附-解吸-再加压运作程序中吸附剂性能和变压吸附工艺操作条件两者均是造成所发现的存在于吸附床中的温度梯度的原因的认识。这种温度梯度连续贯穿于吸附床中，吸附床上不存在单一的温度，在床的进料口附近更是如此，吸附床的任何部分均有这种特性，也就是说具有这种性质的吸附床所述部分的大小远不止是整个吸附床的一小部分。此外，对于任何一定的变压吸附方法和系统来说，在构成运作循环的处理步骤顺序进行过程中。在吸附床内任何给定位置处的吸附材料温度均是波动的。正象本文中参照具体实施例所描述的那样，本发明在环境温度下或在高于或低于环境温度的温度下进行变压吸附操作时适用于各种各样的吸附材料需、分离的进料气体混合物和工艺条件。
适合于按照本发明方法和系统处理的气体混合的是那些较易吸附的组分如氮气和不易吸附的组分即一种或多种较低极性或可极化性的组分诸如氧气、氦气、氢气、氩气、氖气等混合在一起的气体混合物。迄今为止，其最大的商业意义在于氮气和氧气二元混合物的分离，或是从还混有极化性低于氮气的其它空气组分的混合物中氮气的分离。因为空气中含有高极性的水和二氧化碳，一般来说在使用本发明方法进行氮气和氧气分离前应先将这些化合物去除。尽管本发明将根据N2-O2分离来进一步加以描述和说明，应当指出其它分离也可以同样或类似的方式加以完成。
所用的吸附剂组合物可以是对氮气的吸附选择性优于用于需分离氮气的气体混合物中的其它较小极性或可极化性的组分的任何本领域为人熟知的吸附剂。它们包括合成混石和天然沸石、活性氧化铝、硅胶、炭吸附剂和粘土吸附剂。优选的吸附剂是具有足够大的孔隙而可让氮气和其它气体混合物组分自由进入和具有也可让吸附物分子进入的大的内部空隙的沸石分子筛。优选的沸石分子筛的例子有各种阳离子形式的众所周知的沸石X、沸石A和菱沸石。
工艺条件也以是本领域技术人员已知或已发现的任何适合于氮气PSA处理的温度和压力的组合。进料气体压力和温度差异很大，相当大程度上取决于具体所用的吸附剂。一般来说，进料温度可以在50至-150℃范围内，进料压力在0.5-10大气压的范围内。一般来说，最有利的温度和压力条件是根据所用的吸附选择的。但是，在先有技术中发现的具体吸附剂的工艺操作条件相当大程度上是经验性的，并且都以可用于具有特定化学组成范围的给定吸附剂的优选温度和压力范围的形式来公开。在另一方面，先有技术中适合于具体吸附剂的实验数据是非常广博的，在某些情况下可提供在本公开文件给定的本发明的范围内的设计一吸附处理方法所需的资料。
这对于(选择)具有高的氮气负载和对氮气具有高的选择性的吸附剂是有助的，但并不足够。已发现吸附剂性能和以下其它三个因素关系更大：
1)△氮气负荷一吸附条件下的氮气负荷减去解吸条件下的氮气负
荷；
2)在吸附条件下的选择性；
3)选择性比一在吸附条件下的选择性除以在解吸条件下的选择
性。
艮好的性能和这三个因素的乘职--吸附质量因数即AFM密切相关。
所述AFM通过设定吸附条件和解吸压力来评价。几套条件已用在下面的实施例中，每套条件均包括吸附压力、解吸压力和吸附进料温度。在实施例中所用的原料是由78％氮气和22％氧气构成的简单组成的原料。
在解吸过程的降压和返清洗中，温度下降，氮气和浓度通常上升。为便于AFM的计算，忽略温度的下降(尽管这种下降是重要的)并假设氮气浓度升高到95％。该方法通常提供了在一套特定的操作条件下选择较好吸附剂的有益的指导。但是，这往往会过高估计具有很大的吸附热的吸附剂的性能。
在设定压力、温度和气体组成后，通过多组分吸附平衡方程式在吸附和解吸条件下评价氮气和氮气负荷。
△氮气负荷定义为： Δ N 2 = L N A - L N D - - - - ( 1 ) 式中
△N2是△氮气负荷；
是在吸附条件下的氮气负荷；
是在吸附条件下的氮气负荷。
在吸附条件下的选择性定义为： α A = ( L N A L O A ) ( 1 - Y N A Y N A ) - - - ( 2 )
式中
是在吸附条件下的氧气负荷；
是在吸附条件下氮气的气态摩尔分数。
在解吸条件下的选择性定义为： α D = ( L N D L O D ) ( 1 - Y N D Y N D ) - - - ( 3 )
Figure A9612264800107
乏在吸附条件下的氧气负荷；
Figure A9612264800108
乏在吸附条件下氮气的气态摩尔分数。
吸附质量因数(AFM)定义为： AFM = ΔN 2 α A ( α A α D ) - - - ( 4 )
在吸附过程中，产生显热，在解吸过程中显热被吸收。在一常规PSA处理中，存在着通过床的净的顺气流。也存在一导致床内自发产生致冷和低温区的向前的焓流。产生的内部致冷量取决于具体所用的吸附剂。分离方法的效率取决于吸附剂、压力和温度。因此，吸附剂影响着局部温度，而温度本身又影响分离的效率。通过使用两层(或区)或多层(或区)的不同吸附剂，可以改变温度分布，更重要的是可以增强分离方法的局部效率。
正如上文所述，通过利用先有技术中适合的资料进行或多或少次的试凑法，对于某种气体分离如PSA N2-O2分离来说，可选择出相应于特定工艺条件的最满意的吸附剂。但是，我们已发现通过比较在产生自身引起的温度梯度的复合PSA固定床的各个区中而工作时遇到的各工艺操作条件下的AFM值，选择过程可极便利地进行。图1通过几种所述吸附剂的AFM与温度的关系曲线揭示了温度对N2-O2分离性能的影响。所示的吸附剂的实施例有Si/Al2摩尔比为2.3的钠沸石X即(NaX2.3)；含约97％当量Li+阳离子的锂阳离子高度交换的形式即(LiX2.3)；含75％当量Ca++阳离子的钙交换形式即(CaNaX2.3)；和含16.8％当量Ca++阳离子的Ca++和Li+混合阳离子交换形式即(CaLiX2.3)。在进行计算时，假设在高压下N2-O2混合物的组成是78％N2和22％O2，在低压下是95％N2和5％O2。图1中的数据属于在150kPa和51KPa之间操作的低压比过渡大气压(transatomspheric)PSA方法。其它数据的检查表明当试验较高压力比时，各吸附剂的排列位置影响很小。在图1中，把直接来自实验室测量得到的在纵列中的四种吸附剂的每一种的AFM值作为床温的函数绘成曲线图。该图表明不同吸附剂的AFM值与温度具有不同的关系。在最低温度(250K)时，NaX材料展现出高的AFM值，但是该值随着温度上升而下降。相反，CaNaX吸附剂在低温时具有低的AFM值，但是AFM在较高温度下上升。尽管的320K的温度下其AFM值并没有超过含Li吸附剂，该特性表明这种材料在更高温度下仍可能是优良的。Li和CaLiX材料在270K以上包括所绘出的最高温度320K时仍有高的AFM值。正是和吸附床内发生的固有的温度梯度相联系的AFM与温度的关系的这些差异可通过多个吸附剂层来加以发展以用于改善整个空气分离过程。
在吸附床内出现的温度梯度取决于材料和方法两者，这可通过实验或通过计算机模拟来测定。在图1的吸附剂特性曲线通过可用来选择对应于床的不同温度区具有最高AFM值的一种或一组的吸附剂。所得到的复合床具有高于单吸附剂床得到的总AFM值。此外，由于具有较高的总AFM值，最合床的整个床尺寸有望降级。这种所近似可用于一层或多层的情况。
图1的数据已确认NaX2.3、CaLiX2.3和LiX2.3的每一种的最佳性能应出现在和另外两种不同的某一温度下，应对这些组合物在PSAN2-O2分离过程中的潜在性能作出评价。在这种评价中，计算了在减压时的浓度飘移和PSA处理所需的最低回流比率。因为分离效率和温度的耦合作用，需要更复杂的方法来测定吸附剂各单层的最佳深度。常规模式被用来较正真实吸附剂的性能。除了在床上出现的温度的变化外，也考虑了床的进料端和产物端组成上的变化。这些计算是按两种不同床填料来进行的。在第一种情况下即情况1，考虑用低温下显示出良好性能的材料--吸附剂NaX2.3来均匀填充该床。注意在图1中发现LiX2.3在低温下的性能是不能令人满意的，所以不会选择用于均匀床中。在第二种情况下，即情况2，估价了由NaX2.3、LiX2.3和CaLiX2.3组成的三层床的性能。下面的表即表I和II列出的对吸附温度、最小回流速率、实用回流比率和床深度、对吸附压力下氧气摩尔分数的选择值的估价值。在这些实施例中所用的最小回流比率被定义为逆流对纯顺流(在吸附时的顺流减去解吸时的逆流)的比值。实用的回流比已规定为大于所述最小值10％。情况1：均匀床
                               表I
                               均匀床NaX(2.3)
  氧气摩尔分数    吸附温度(K)     最小回流比    回流比     床深Z(m)
    0.219     261.04     6.38     7.02     0.00
    0.25     271.23     5.58     6.13     0.17
    0.3     280.30     4.65     5.11     0.38
    0.4     288.14     3.58     3.94     0.69
    0.5     292.00     2.92     3.21     0.90
    0.6     294.26     2.48     2.73     1.08
    0.7     295.72     2.17     2.39     1.26
    0.8     296.73     1.94     2.13     1.44
    0.9     297.47     1.75     1.93     1.69
    0.95     297.78     1.66     1.83     1.9
    0.99     298.04     1.57     1.73     2.34
    0.999     298.16     1.50     1.65     2.93
应指出在床的进料端的温度是最低的。由于进料端是大部分氮气去之处，也必定是从吸附(80％N2)到解吸(接近100％N2)的浓度飘移适度之处，所以在进料端的回流比也是最高的。情况2：多层床
                                 表II
                                  多层床Nax2.3，Lix2.3和CaLix2.3
  氧气摩尔分数   吸附温度(K)    最小回流比   回流比   床深度Z(m)   吸附剂
    0.219     261.04     6.38     7.02     0.00 NaX
    0.25     271.23     5.58     6.13     0.17
    0.3     280.30     4.65     5.11     0.38
    0.4     288.14     3.58     3.94     0.69
    0.4     282.58     3.68     4.05     0.69 LiX
    0.5     288.73     2.80     3.08     0.90
    0.6     282.24     2.25     2.48     1.07
    0.7     294.45     1.88     2.07     1.22
    0.7     294.23     1.91     2.10     1.22 CaLiX
    0.8     295.90     1.60     1.76     1.38
    0.9     297.06     1.37     1.51     1.54
    0.95     297.53     1.26     1.39     1.74
    0.99     297.88     1.16     1.28     2.07
    0.999     297.96     1.13     1.24     2.51
从表2的数据明显可以看出温度在NaX层上面被改变，但朝着温度接近外部原料温度即300K的产品端它们只稍稍有所不同。和均匀床相比，在上面两层即LiX和CaLiX层中的回流比是较低的。这种在回流比和沿床长度上的降低使许多层PSA处理比在由单一吸附剂组成的均匀床上进行的类似处理更为有效。更具体地说，它们降低了所需的吸附剂的量，降低了局部流速和局部压力梯度，并降低了床的总压降。总的来说，按上述实施例，床深度从2.93m降低到2.51m。
单一吸附剂床和多层吸附床的性能比较将进一步在使用和图1的实施例相同吸附剂的图2、图3和图4中说明。
图2显示了温度分布。由于内部产生的致冷，温度在NaX吸附剂层的进料端降到一低值。此后，温度上升并接近300K的外部原料温度。在NaX和LiX之间的界面上，温度第二次剧烈下降。在LiX和CaLiX之间的界面上出现温度的第三次下降，但其下降幅度小，重要性不大。
在图3中，画出了多层床回流比和顺流流中氧气的摩尔分数之间的关系曲线图。回流比一般从床的进料端至产物端逐渐降低。可以看到在具较高氧气纯度的区域中多层床比只含NaX2.3的床具有较低的回流比。
在图4中，绘出了所需的床深度和氧气的摩尔分数之间的关系曲线图。可以看出多层床的总深度短于均匀床的长度，当在产物流中要求高纯度等级的氧气时更是如此。
图5是图示说明用于从空气制备氧气的PSA方法的复合床的吸附剂配置情况的示意图。图中示出了使用表II计算的温度和层深度的一个有三层、三种吸附剂的床。在该示意图中，假设原料从吸附器的底部进入并首先通过一个交流换热炉和用来从进料空气去除水和二氧化碳的预纯化器床。所采用的预纯化器床含有能有效去除水和二氧化碳的氧化铝或其它吸附剂材料。这两个底部区也用作保存内部产生的致冷并为温度从外来进料流的温度(此处为300K)平滑过渡到用于氮气的吸附和去除的主床底部的最低温度做好准备。所显示的温度分布取自图2，并且没有考虑轴向扩散和传导。实际上，其尖头会更加变圆和平滑些。
下面描述用来计算在设计进行所述分离的床内各吸附剂的最佳布置所用方法的基本原理。
变压吸附方法包括在含一个或多个吸附塔的塔系统的每一塔中均进行的两个工艺操作步骤。在一个给定塔中的每个工艺步骤可能包含一个或多个其特征在于压力和流速大小不同的子步骤。
塔中包括一张或多张串联的床。每张床均可进行分离。分离在第一类组分被吸附并从共存的另一类组分移除时进行。例如，一床可能用于从氧气和氩气的混合物中吸附和去除氮气。一个不同的床也可能用来从空气吸附和去除水蒸汽和二氧化碳。每个塔均具有一个可称为塔的进料端的第一端以及一个也可称为塔的产品端的第二端。
对于任何塔或床来说，正向定义为从进料端向产品端的方向。逆向则和正向相反。对一个塔中的每张床来说，床的时料端定义为最接近塔的进料端的这一端。床的产品端定义为最接近塔的第二端的这一端。在塔中任一点处的顺流被定义为在该点沿正向的流动。逆流同样地定义为逆向的流动。
第一处理步骤也称为吸附步骤。其有效平均压力(它取决于其子步骤的平均压力)被称为吸附压力。在第一处理步骤期间气流主要是顺流。在给定床中第一处理步骤的至少一部分时间内，原料气被导入床的进料端。在给定床第一处理步骤的至少一部分时间内，气体将流出产品端；该气体被称为该床的粗产品气。
第二处理步骤也称为解吸步骤。其有效平均压力(它取决于其子步骤的平均压力)被称为解吸压力。解吸压力总是低于吸附压力。在第二处理步骤期间气流主要是逆流、在给定床第二处理步骤的至少部分时间内，回流气体被导入到床的产品端。例如，回流气体可作为清洗气在逆流清洗子步骤中进入，或作为加压气体在逆流加压子步骤中进入。在给定床第二处理步骤的至少部分时间内，气体将从进料端流出；该气作被称为废气。
在这种塔系统内的每个多床塔中，这两个处理步骤以循环方式一步骤一步地进行。在循环运作中，在床中任一给定位置均存在要考虑的三项总流量：
a.一个循环的总顺流；
b.一个循环的总逆流；
c.一个循环的总净流。
一个循环的总净流等于该循环的总顺流减去总逆流。这些流量可以每循环的各种流量单位的方式表示，如总的摩尔/循环。这三个总流量也可将每循环的流量除以总循环时间(它是两个处理步骤时间的和)而以每循环平均流量表示。例如，它们可以以摩尔/秒的平均流量表示。
尽管有许多设计使用本发明的的吸附系统和PSA处理的方法，但反映本发明方法的表II的工艺操作数据是采用下列步骤和条件获得的。
在开始时，设定某些工艺操作条件，即吸附压力(PH)、解吸压力(PL)、产品流量和净流温度(TN)。TN值等于吸附容器的进料端出现的任何加热或冷却调节的原料空气的温度。对于稳态操作来说，TN是床上没有温度梯度时顺流和逆流所具有的温度。在这些限制因素内，在为各床层选择吸附时应受到最优先考虑的事是降低床上所有部分的局部回流比。其次要优先考虑的事是增大局部Δ负荷和降低吸附剂的费用。在主床的任何位置，局部回流比是局部的逆流与净顺流之比。最小局部回流比值(MLRR)通过改变从吸附压加的解压至解吸压力时出现的氮气浓度飘移来设定。它可用下式计算：
MLRR＝(YE-YN)/(YB-YF)            (5)式中YF是氮气在顺流气流中的局部摩尔分数；YB是氮气在逆流气流中的局部摩尔分数；YN是氮气在净产品中的摩尔分数。在产品基本不含氮气的情况下，该方程式可简化成：
MLRR＝YF/(YB-YF)＝1/(YB/YF-1)    (6)因此MLRR变成浓度比YB/YF的一个简单函数。通过给定吸附剂和局部温度来进行模拟试验或实验，可以得出浓度比值。
为了提供从顺流流动中吸附氮气和将氮气解吸成逆流流动的驱动力，实际的局部回流比ALRR必须至少稍高于MLRR。同样，通过质量平稳关系，任一位置处的ALRR值受限于其它位置处的值。一般来说，顺流流量和逆流流量均随着从接近该主床的进料温到接近产物端的距离的增加而下降。这是因为在近进料端氮气顺流和逆流中占的比重较大而在近产物端则在这些流量中占很小的比重。氧气流量可能在近产物端变大。虽然氮气流量可能在产物端附近变大，但是它们通常不足以弥补剧烈降低的氮气流量。结果，在产物端附近，ALRR通常可能会低得多。
局部温度取决于局部温度波动的强度和局部ALRR的大小。在摩尔热容近于恒定和均匀处，可用下列方程式决定局部温度：
TN＝TF+ALRR×DT或TF＝TN-ARLL×DT    (7)其中DT＝(TF-TB)；TF是顺流气体的局部平均温度；TB是逆流气体的局部平均温度。尽管该方程式好象并不直接，但是对于一定的吸附剂材料和局部氮气浓度。它们可通过迭代法或等效法来加以解决。例如，首先估计TF值，然后找出给定压力范围和操作条件下氮气浓度和温度的局部波动值。下一步计算MLRR，然后从氮气浓度的波动中得出ALRR，并从DT和ALRR值计算TN的试验值。如果试验值太低，那末用更高的TF值重复该计算。如果试验值太高，那么用较低的TF值重复该计算。在一些情况下，使用较低的TF值会导出一个甚至较高的计算的试验值。如果其吸附材料在所考虑的设计中的氮气浓度下使用，那么这表明了运作不稳定。那么这种吸附附材料应不能用在该组局部条件下的该设计中。当所继续的计算(值)集中在一点时停止而使试验值等于设计TN值。使用最终的ALRR值和其它结果作为在那个氮气浓度下那种吸附材料的所述局部性能的正确估计值。比较不同吸附材料的最终计算值以便选择最适合于那个氮气浓度的吸附材料。在分离处理所要求的氮气浓度范围内对其它点重复同样试验，选择出对应每个点的最佳吸附剂。
本发明应用的两个其它实例在下面描述。
对于使用氮气选择性吸附剂来制备富含氧气和氩气的气流的空气分离来说，每个塔含两张床。邻近塔的第一端的第一张床是预纯化床。它保存致冷并从湿脏空气原料中吸附和去除强保留杂质如水蒸汽和二氧化碳。
主床包含一层或多层用于在第一处理步骤从顺流气流中吸附和去除氮气的氮气选择性吸附剂。在第一处理步骤的至少部分时间里，来自预纯化床的洁净、干燥的空气进入主床的进料端，富含氧气和氩气的粗产品离开主床的产物端。某些粗产品可被选用作为用在所述塔装置的一个或多个塔的回流气体；它的一部分在用作回流之前可贮存在气罐中。
在第二处理步骤的至少部分时间内，一部分粗产品以清洗气和/或加压气的形式送回到主床的产物端。在第二处理步骤的至少部分时间内，废气从第二床的进料端排入预纯化床的产物端；它在预纯化床中用作回流。
在每个塔中的主床可分为多层，每层均具不同的吸附剂或吸附剂的混合物以便在从氧气/氩气混合物中吸附和去除氮气的工作中改进性能。
从包含诸如氢气、氮气、氩气、二氧化碳、甲烷和水蒸汽等组分的合成气体中制备氢气也可在分成含多层的多张床的塔系统中进行。其中一张床可设计用来吸附和去除如二氧化碳。因为二氧化碳可能高浓度地存在，在流动方向会有大的温度梯度。每层均含不同吸附剂或吸附剂的混合物的不同层可用来改进性能。在塔中的其它床同样地再分成多层以改进性能。

Claims (10)

1.从含有一较难选择性吸附组分的进料混合物中分离一较易选择性吸附组分的变压吸附方法，其中该气态进料混合物在含有对较易吸附组分的吸附具有选择性的吸附材料的固定床中接触，它通过下列循环步骤进行：
(a)吸附，在该步骤中进料混合物通入该床而在高的吸附压力下和该吸附剂接触，该进料气体混合物的较易选择性吸附组分被选择性吸附，其较难选择性吸附组分从该床的卸料端回收；和
(b)解压，在该步骤中中断了进料混合物输入该床并将床上的压力从高的吸附压力降低至低的解吸压力以便从床上解吸和回收较易选择性吸附组分；步骤(a)和(b)的循环操作在所述吸附床内产生了温度梯度，本发明的改进之处在于和该进料混合物接触的固定吸附床是含有至少两种对较易选择性吸附组分的吸附具有选择性的不同吸附材料的复合床，每种吸附剂均被封闭在温度条件适合于其性能的该床中的某一区内，而吸附剂性能通过在可应用于所述区的具体工艺操作条件下的其吸附质量因数值来衡量。
2.权利要求1的方法，其中进料混合物是氮气作为较易吸附组分而氧气作为较难吸附组分的二元混合物。
3.权利要求2的方法，其中进料混合物是空气。
4.权利要求3的方法，其中这种复合床的下区包含NaX，其中区包含LiX，其上区包含CaLiX。
5.从含有一较难吸附组分的进料混合物中分离较易吸附组分的变压吸附系统，其中该气态进料混合物以循环的吸附-减压的处理顺序在含有对所述较易吸附组分的吸附具有选择性的吸附材料的吸附床中接触，本发明的改进之处在于所述吸附床包括含有主少两个种对较易选择性吸附具有选择性的不同吸附材料的复合床，每种吸附剂均被封闭在温度条件适合于其性能的该床中的某一区内，而吸附剂性能通过在可应用于所述区的具体工艺操作条件下的其吸附质量因数值来衡量。
6.权利要求5的系统，其中所述吸附床包含三种不同的吸附材料。
7.权利要求6的系统，其中所述复合床的下区包含NaX、其中区包含LiX、其上区包含CaLiX。
8.选择用于复合吸附床的至少两种不同吸附材料的方法，包括将每种吸附材料封闭在其温度条件适合于该材料的性能的该床中的某一区内，而吸附材料性能通过在可应用于所述区的具体工艺操作条件下的其吸附质量因数值来衡量。
9.权利要求8的方法，其中该复合床包括三种吸附材料。
10.权利要求8的方法，其中所述复合床适合于从含氮气和较低极性或可极化性的物质的进料混合物中分离氮气。
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