CN1249961A - 使用由沸石相和粘合剂组成的集成吸附剂的变压吸附方法 - Google Patents

使用由沸石相和粘合剂组成的集成吸附剂的变压吸附方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及用于分离气流如空气的PSA方法,该气流含有优先吸附在一种吸附剂上的第一种气体化合物如氮气,和比所说的第一种气体化合物次优先吸附在所说的吸附剂上的第二种气体化合物如氧气。吸附剂由含有沸石相和粘合剂的集料形成,并含有元素Si、Al、Li、Na、Mg、K和Ca,在所说的吸附剂中这些元素的全部比例是:Si/Al比为1—2.4,Na/Li比为0.012—0.300,Mg/Li比为0.012—0.400,Ca/Li比为0.012—0.200和K/Li比为0.001—0.060。

Description

使用由沸石相和粘合剂组成 的集成吸附剂的变压吸附方法
本发明涉及一种用于分离气流，特别是主要含有氧气和氮气的气流例如空气的PSA型方法，特别是VSA型方法。
空气中的气体如特别是氧气和氮气在工业上是非常重要的。目前，用于生产这些气体的非低温技术之一是被称之为PSA(变压吸附)的技术，其不仅包括PSA方法本身，而且包括类似的方法，如VSA(变真空吸附)或MPSA(混合型变压吸附)方法。
根据此PSA技术，当要分离的气体混合物是空气而要回收的组份是氧气时，所说的氧气是借助优先吸附至少氮气的方法使用至少优先吸附氮气并在分离区经过一定的压力循环的材料从所说的气体混合物中分离出。
在所说的分离区出口处回收几乎未被或完全未被吸附的氧气；通常其纯度大于90％，或甚至超过93％。
更一般地，非低温分离气体混合物的PSA方法周期性地包括下列步骤，其中该混合物包括被优先吸附在吸附剂材料上的第一种化合物，和比第一种化合物被次优先吸附在所述吸附剂材料上的第二种化合物，以便生产所说的第二种化合物，
-在被称之为“高压”的吸附压下，在所说的吸附剂材料上至少优先吸附所说的第一种化合物，同时回收按照这种方式产生的至少一些第二种化合物；
-在低于吸附压且被称之为“低压”的解吸压力下解吸用这种方法由吸附剂俘获的第一种化合物；
-通过逐步从所说的低压改变到所说的高压，再压缩含有吸附剂的分离区。
然而，已知气体混合物如空气的分离效率取决于许多参数，特别是高压、低压、使用的吸附剂类型和其对要分离的化合物的亲合能、要分离的气体混合物的组成、待分离的混合物的吸附温度、吸附剂颗粒的大小、这些颗粒的组成和在吸附床里设置的温度梯度。
目前，虽然还不能确定其一般行为规律，知道将这些参数与另一种参数联系起来是非常困难的，但是人们也知道吸附剂的自然特性对整个过程的效率起着重要作用。
当前，沸石是在PSA方法中最广泛使用的吸附剂。
沸石颗粒通常含有单价、二价和/或三价金属阳离子，例如碱金属阳离子、碱土金属阳离子、过渡金属阳离子和/或镧系离子，其在沸石颗粒的合成过程中掺入和/或接着通过离子交换技术插入，也就是说，通常通过将未交换的沸石颗粒或原沸石与含有要掺入沸石结构中的阳离子的一种或多种金属盐溶液接触，接着回收交换的沸石颗粒，也就是说含有一定数量金属阳离子的沸石来加入上述金属阳离子。掺入沸石结构中的金属阳离子相对于全部交换容量的比例，被称之为交换因子，为0-100％。
此外，对于分离气体特别是空气来说在PSA型方法中最广泛使用的吸附剂是沸石，特别是高度交换至通常含有大于80％，甚至大于95％非常昂贵金属阳离子尤其是如锂离子的X和LSX型沸石。尤其是在文献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中描述了这种沸石。
然而，所说的方法的性能，尤其是吸附能力或吸附选择性，和气体的全部生产成本明显地随着在PSA方法中使用的吸附剂而变化。
因此本发明的目的是提供一种分离气体的方法，特别是使用由沸石相和至少一种粘合剂组成的集成吸附剂分离空气中气体的PSA方法，可以比使用现有技术的吸附剂的方法产生更好的性能。
因此本发明涉及分离气流的PSA方法，该气流包括至少一种优先吸附在至少一种吸附剂上的第一种气体化合物，和至少一种比所说的第一种气体化合物次优先吸附在至少所说的吸附剂上的第二种气体化合物，所说的吸附剂是由主要含有沸石相和至少一种粘合剂的集料形成的，其特征在于所说的吸附剂含有元素Si、Al、Li、Na、Mg、K和Ca，在所说的吸附剂中所说元素的全部比例是：
-Si/Al比为1-2.4，
-Na/Li比为0.012-0.300，
-Mg/Li比为0.012-0.400，
-Ca/Li比为0.012-0.200，
-和K/Li比为0.001-0.060。
所给元素的比例或百分比(％)是以相对于出现在集成吸附剂中的元素Li、Na、Mg、K和Ca的总量表示的。
根据情况不同，本发明的集成吸附剂可以包括一种或多种下列特性：
-粘合剂包括由硅镁土、膨润土、高岭土或其混合物形成的粘土，或类似的粘土。
-Si/Al比为1.15-1.70。
-吸附剂含有八面沸石，优选X或LSX(低硅X)型沸石。
-Na/Li比为0.015-0.250，Mg/Li比为0.037-0.327，Ca/Li比为0.024-0.145和/或K/Li比为0.001-0.036。
-Na/Li比为0.018-0.230，Mg/Li比为0.050-0.267，Ca/Li比为0.038-0.100和/或K/Li比为0.001-0.025。
-吸附剂含有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。
-吸附剂含有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。
-吸附剂含有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。
-粘结剂质量比例至多为吸附剂颗粒总质量的30％，优选至多为25％。
-要分离的气流包括氮气和至少一种极性较低的化合物，特别是氧气和/或氢气，且优选地，该气流是空气，第一种气体化合物是氮气而第二种气体化合物是氧气。在本发明的范围内，空气是在建筑物内或加热的或未加热的室内空气，或外界空气，也就是说在大气条件下未经处理或视具体情况而定经过预处理的空气。
-第一种气体化合物是氮气而第二种气体化合物是氧气；产生富氧气流，也就是说，气流通常包含至少90％氧气。
-它属于VSA型(变真空吸附)。
-吸附高压为105-107帕，优选约105-106帕，和/或解吸低压为104-106帕，优选约104-105帕。
-进料温度为10-80℃，优选25-60℃。
本发明也涉及一种可以在上述方法中使用的集成吸附剂，其特征在于所说的集成吸附剂是以集合形式存在，主要包括沸石相和至少一种粘合剂，其特征在于吸附剂含有元素Si、A1、Li、Na、Mg、K和Ca，在所说的吸附剂中所说元素的全部比例是：
-Si/Al比为1-2.4，
-Na/Li比为0.012-0.300，
-Mg/Li比为0.012-0.400，
-Ca/Li比为0.012-0.200，
-和K/Li比为0.001-0.060。
本发明还涉及一种能进行PSA方法如上述方法的装置，包括至少一个吸附器，且优选1-3个吸附器，尤其是具有径向几何形状的吸附器。
应该注意本发明也应用于使用几种吸附器方法例如多床层方法中的每个吸附器。
现在将借助于举例说明给出的实施例更详细地描述本发明，但是并不意味着对本发明构成任何限制。实施例：
吸附剂A-G，主要含有沸石相和粘合剂，其有关元素锂、钠、镁、钙和钾的组成在下面表I中给出(Si/Al比为大约1.72)，其用作通过吸附分离空气中气体的VSA型方法中的吸附剂，以便产生纯度大约为93％的氧气。
在吸附剂A-G中粘合剂的比例大约为20％和沸石相为X型。
                   表I：集合珠的组成
  吸附剂编号    Li(等价物％)   Na(等价物％)   Mg(等价物％)  Ca(等价物％)  K(等价物％)
    A      0.00     77.98     14.27     6.13     1.63
    B      11.02     70.91     13.40     4.45     0.22
    C      27.93     53.81     13.02     4.91     0.33
    D      42.26     38.75     13.32     5.32     0.35
    E      60.12     20.26     13.61     5.37     0.64
    F      67.23     13.00     13.90     5.28     0.58
    G      80.37     1.57     13.05     4.51     0.50
百分比(％)相对于存在于吸附剂中的元素Li、Na、Mg、Ca和K的总量。在这些试验中，进行VSA方法的条件如下：-平行运行的2个吸附器；
-吸附压力：1.4×105帕
-解吸压力：0.4×105帕
-进料空气的温度：大约为35℃。
-吸附剂：沸石A-G的床；吸附剂A-E不属于本发明范围，而吸附剂F-G与本发明一致。
-生产周期：2×近似40秒
性能，也就是说试验吸附剂A-G得到的VSA方法的生产率和生产量在下面以指标值(参照物是吸附剂A)的形式在表II中给出。
生产率(以％表示)被定义为包含在生产的氧气中的纯氧数量与引入的纯氧数量之比。
生产量(以m3[stp]/h/m3吸附剂表示)被定义为包含在生产的氧气中的纯氧数量与该生产中使用的吸附剂的数量(体积或质量)之比。
                    表II：VSA方法的性能
   吸附剂编号    生产率    生产量
       A    100.0    100.0
       B      id      id
       C      id      id
       D      id      id
       E    103.8    104.7
       F    112.0    117.7
       G    131.6    183.7
id：结果与吸附剂A相同。
获得的结果表明本发明的吸附剂即吸附剂F和G得到了最好性能(生产率和生产量)。
本发明不限于从空气中生产氧气的领域，并可以相应地适用于分离其它气流，如特别是含有氢气、二氧化碳和/或一氧化碳的气流，特别适用于合成气的生产。

Claims (10)

1.用于分离气流的PSA方法，该气流包括至少一种优先吸附在至少一种吸附剂上的第一种气体化合物和至少一种比所说的第一种气体化合物次优先吸附在至少所说的吸附剂上的第二种气体化合物，所说的吸附剂是由主要含有沸石相和至少一种粘合剂的集料形成的，其特征在于所说吸附剂含有元素Si、Al、Li、Na、Mg、K和Ca，在所说的吸附剂中所说元素的全部比例是：
-Si/Al比为1-2.4，
-Na/Li比为0.012-0.300，
-Mg/Li比为0.012-0.400，
-Ca/Li比为0.012-0.200，
-和K/Li比为0.001-0.060。
2.根据权利要求1的方法，其特征在于Si/Al比为1.15-1.70。
3.根据权利要求1或2的方法，其特征在于吸附剂含有八面沸石，尤其是X或LSX型。
4.根据权利要求1-3中任一项的方法，其特征在于Na/Li比为0.015-0.250，Mg/Li比为0.037-0.327，Ca/Li比为0.024-0.145和/或K/Li比为0.001-0.036。
5.根据权利要求1-4中任一项的方法，其特征在于吸附剂含有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.根据权利要求1-5中任一项的方法，其特征在于吸附剂含有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.根据权利要求1-6中任一项的方法，其特征在于粘结剂质量的比例为吸附剂颗粒总质量的至多30％，优选为至多25％。
8.根据权利要求1-7中任一项的方法，其特征在于它是属于VSA型。
9.根据权利要求1-8中任一项的方法，其特征在于要分离的气流含有氮气和至少一种极性较低气体化合物，特别是氧气和/或氢气，且优选地，气流是空气，第一种气体化合物是氮气和第二种气体化合物是氧气。
10.能使用在权利要求1-9中任一项的方法的集成吸附剂，其特征在于所说的集成吸附剂是以主要含有沸石相和至少一种粘合剂的集料形式存在，其特征在于所说的吸附剂含有元素Si、A1、Li、Na、Mg、K和Ca，在所说的吸附剂中所说元素的全部比例是：
-Si/Al比为1-2.4，
-Na/Li比为0.012-0.300，
-Mg/Li比为0.012-0.400，
-Ca/Li比为0.012-0.200，
-和K/Li比为0.001-0.060。
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