变压吸附系统中浅床中的性能稳定性的制作方法

专利名称：变压吸附系统中浅床中的性能稳定性的制作方法
变压吸附系统中浅床中的性能稳定性
相关申请的交叉参考本申请是系列号为11/542,948的美国专利申请(该美国专利申请于2006年10 月4日提交)的继续部分申请，并且其全部内容结合于此作为参考。
背景技术：
方法和吸附剂技术的最新进展使得传统的大规模变压吸附(PSA)系统规模降低 到在很短时间快速循环中运行的小得多的系统。这些小的、快速循环PSA系统例如可以用 于从周围环境空气中回收氧的便携式医学氧浓缩器中。随着这些浓缩器市场的发展，为了 氧治疗患者的利益就有动机发展越来越小的、更轻的和更加便携的装置。在许多PSA系统中进料气杂质对吸附剂的影响是个普遍问题，在小的快速循环 PSA系统中所需的小吸附剂床中这种影响尤其严重。例如，通过由于在PSA循环再生步骤 中未完全除去的吸附杂质导致的吸附剂的逐步钝化，空气中的水和二氧化碳杂质可以导致 小PSA空气分离系统性能的显著降低。由于该逐步钝化，随着时间的推移氧回收将会降低 并且可能需要定期的更换吸附剂。备选地，可能不得不加大吸附剂床以解决逐步的吸附剂 钝化。这两种情况都不是期望的，因为它们增加了氧浓缩器系统的费用和重量。在小的、便携的、快速循环PSA氧浓缩器的设计和运行中，本领域中有对改进方法 的需要以除去杂质，特别是水。通过下面描述的本发明的实施方式致力于这种需要，并通过 随后的权利要求书进行了限定。

发明内容
本发明的第一个实施方式包括用于制备氧的变压吸附方法，包括(a)提供至少 一个具有进料端和产物端的吸附容器，其中容器包含邻近进料端的吸附剂材料的第一层和 设置于第一层和产物端之间的吸附剂材料的第二层，其中第一层中的吸附剂从包含水、氧 和氮的混合物中选择性的吸附水以及第二层中的吸附剂从包含氧和氮的混合物中选择性 的吸附氮，并且其中当每克吸附剂负载小于大约0. 05毫摩尔吸附的水时第一层中水对吸 附剂材料的吸附热等于或低于大约14千卡/摩尔；(b)把包含至少氧、氮和水的加压进料 气引入吸附容器的进料端，使气体连续通过第一和第二层，在第一层中的吸附剂材料中吸 附至少一部分水，并且在第二层中的吸附剂材料中吸附至少一部分氮，其中吸附剂材料的 第一层中水的传质系数在大约125至大约400每秒的范围内并且第一层中加压进料气的表 观接触时间(superficial contact time)在大约0. 08至大约0. 50秒之间；以及(c)从吸 附容器的产物端取出富氧产物气。第一层中的吸附剂材料可以包含活性氧化铝；活性氧化铝可以具有在大约0. 3mm 至大约0. 7mm之间的平均粒径。第二层中的吸附剂材料可以从包含氩和氧的混合物中选择 性的吸附氩。从吸附容器产物端取出的产物气中的氧浓度可以为至少85体积％。加压进 料气可以是空气。第一层的厚度(cbpth)可以为第一和第二层总厚度的大约10%至大约40%之间，并且第一层的厚度可以在大约0. 7至大约13厘米之间。吸附容器可以是圆筒形的，并且第 一和第二层的总厚度与吸附容器内径的比例可以在大约1. 8至大约6. 0之间。变压吸附方法可以在重复循环中运行，该循环至少包括进料步骤，其中加压进料 气被引入吸附容器的进料端以及富氧产物气从吸附容器的产物端被取出；减压步骤，其中 气体从吸附容器的进料端被取出以再生第一和第二层中的吸附剂材料；以及再加压步骤， 其中通过把一种或多种再加压气体引入吸附容器以加压吸附容器，并且其中进料步骤的持 续时间在大约0. 75至大约45秒之间。循环的总持续时间可以在大约6至大约100秒之间。 富氧产物气的流速可以在大约0. 1至大约3. 0标准升每分钟之间。第一层中吸附剂材料的克重量与产物气中氧纯度为93%、以标准升每分钟计量的 产物气的流速之间的比率可以低于大约50克/标准升每分钟(g/slpm)。产物气中氧纯度 为93%的产物气中回收的氧的量可以大于加压进料气中氧的量的大约35%。第二层中吸附剂材料可以包含一种或多种选自由X型沸石、A型沸石、Y型沸石、菱 沸石、丝光沸石和斜发沸石构成的组的吸附剂。该吸附剂材料可以是其中至少大约85%的 活性部位阳离子是锂的锂交换低硅X型沸石。本发明的另一个实施方式涉及用于制备氧的变压吸附方法，包括(a)提供至少 一个具有进料端和产物端的吸附容器，其中容器包含邻近进料端的吸附剂材料的第一层和 设置于第一层和产物端之间的吸附剂材料的第二层，其中第一层中的吸附剂从包含水、氧 和氮的混合物中选择性的吸附水以及第二层中的吸附剂从包含氧和氮的混合物中选择性 的吸附氮，并且其中当每克吸附剂负载小于大约0. 05毫摩尔吸附的水时第一层中水对吸 附剂材料的吸附热等于或低于大约14千卡/摩尔；(b)把包含至少氧、氮和水的加压进料 气引入吸附容器的进料端，使气体连续通过第一和第二层，在第一层中的吸附剂材料中吸 附至少一部分水，以及在第二层中的吸附剂材料中吸附至少一部分氮，其中吸附剂材料的 第一层中水的传质系数在大约125至大约400每秒的范围内；以及(c)从吸附容器的产物 端取出富氧产物气，其中第一层中吸附剂材料的克重量与产物气中氧纯度为93%、以标准 升每分钟(slpm)计量的产物气的流速之间的比率低于大约50克/标准升每分钟。第一层中的吸附剂材料可以包含活性氧化铝；活性氧化铝可以具有在大约0. 3mm 至大约0. 7mm之间的平均粒径。第二层中的吸附剂材料可以从包含氩和氧的混合物中选择 性的吸附氩。从吸附容器产物端取出的产物气中的氧浓度可以为至少93体积％。加压进 料气可以是空气。第一层的厚度可以为第一和第二层总厚度的大约10%至大约40%，并且第一层 的厚度可以在大约0. 7至大约13厘米之间。吸附容器可以是圆筒形的，并且第一和第二层 总厚度与吸附容器内径的比例在大约1. 8至大约6. 0之间。变压吸附方法可以在重复循环中运行，该循环至少包括进料步骤，其中加压进料 气被引入吸附容器的进料端以及富氧产物气从吸附容器的产物端被取出；减压步骤，其中 气体从吸附容器的进料端被取出以再生第一和第二层中的吸附剂材料；以及再加压步骤， 其中通过把一种或多种再加压气体引入吸附容器以加压吸附容器，并且其中进料步骤的持 续时间在大约0. 75至大约45秒之间。循环的总持续时间可以在大约6至大约100秒之间。富氧产物气的流速可以在大 约0. 1至大约3.0标准升每分钟之间。产物中氧纯度为93%时产物气中回收的氧的量可以大于加压进料气中氧的量的大约35%。第二层中的吸附剂材料可以包含一种或多种选自由 X型沸石、A型沸石、Y型沸石、菱沸石、丝光沸石和斜发沸石构成的组的吸附剂。该吸附剂 材料可以是其中至少大约85%的活性部位阳离子是锂的锂交换低硅X型沸石。


图1是Li X型沸石上干燥氮容量对吸附相wt % (水和CO2)的图表。图2是氧产物纯度对采用具有或不具有除去水的预处理的Oxysiv-MDX吸附剂床 的单床PSA系统运行时间的图表。图3是水的吸附热对各种吸附剂水负载量的图表。图4是用来测定吸附剂材料性能的方法测试装置的示意图。图5是氧回收(oxygen recovery)和床尺寸因素对具有除去水的预处理的四床 PVSA方法的传热系数的图表。图6是预处理吸附剂粒子尺寸对标准化绝热功率(normalizedadiabatic power) 的影响的图表。
具体实施例方式方法和吸附剂技术的最新进展使得传统的大规模变压吸附(PSA)方法的设计降 低到规模小得多的系统。这些较小的系统在诸如像用于从空气中回收氧的医学氧浓缩器的 便携装置中尤其有用。随着医学氧浓缩器市场的发展，为了需要氧治疗患者的利益对更小、 更轻和更加便携的装置的需要正在增加。一般在氧PSA系统中用作氮选择性吸附剂的沸石吸附剂对存在于周围环境空气 中的污染物，特别是水和二氧化碳敏感，其中水是最严重的和控制性的污染物。氮选择性沸 石吸附剂对这些杂质具有很高亲合力，并且当在PSA方法的再生步骤期间杂质没有充分除 去时，可能发生快速的钝化。本领域中已经采用了很多技术以便从进料气中除去这些杂质。 在单床或多床系统中，其中在进料入口采用杂质选择性吸附剂的预处理层，其后跟随着一 个或多个氮选择性吸附剂层，这对于容器中的层吸附剂是常见的。杂质选择性预处理吸附 剂的目的是减少或除去水和/或二氧化碳以防止下游吸附剂的渐进钝化。杂质对氮选择性吸附剂性能的影响在用于便携式氧浓缩器的小PSA系统中比在 较大的工业PSA系统中大得多。如果小PSA系统中没有适当除去杂质，杂质可以前进通过 氮吸附剂床并在长时间内导致PSA系统性能的缓慢降低。虽然可以通过在PSA进料步骤期 间的预处理层除去污染物，但是在吹扫步骤期间可能发生该层的不充分再生并导致氮吸附 剂的缓慢纯化。下面描述的本发明的实施方式提供了对这个问题的解决方案。在此所用的通用术语“变压吸附”(PSA)适于所有在最大和最小压力之间运行的吸 附分离系统。最大压力一般是超大气压的，而最小压力可以是高于大气压的或低于大气压 的。当最小压力是低于大气压并且最大压力是超大气压时，系统一般被称为真空变压吸附 (PVSA)系统。当最大压力处于或低于大气压并且最小压力低于大气压时，系统一般被称为 变真空吸附(VSA)系统。这里所用的不定冠词“一种”(“a”)和“一种”(“an”)当被用于记载在说明书 和权利要求书中的本发明实施方式中的任何特征时表示一个或多个。除非在特别指出这
6种限定的情况下，“一种”(“a”)和“一种”(“an”)的使用并不限定其意思为单个特征。 在单数或复数名词或名词短语前的定冠词“该”(“the”)表示一种特别指定的特征或多 种特别指定的特征并且可能具有单数或复数内涵，这依赖于使用它的上下文。形容词“任 何”("any")表示一个、一些或全部，不区分无论什么样的数量。位于第一实体和第二实体 之间的术语“和/或”表示下述情况之一 (1)第一实体、⑵第二实体、以及⑶第一实体 和第二实体。现在的便携式氧浓缩器采用PSA系统并且是电池供电的以使得走动的患者能在 不需要连接到电源的情况下在合理时间内独立四处走动。轻质对于这些氧浓缩器的成功发 展和使用是关键的，并且获得上述的重要设计因素包括先进的吸附剂材料、小规模的压缩 机技术、改进的电池化学、轻质材料的构造、新的阀技术、减小规模的电子组件和改进的保 藏装置。另外，PSA循环和吸附剂的适当选择能显著改进氧回收，这样降低了运行系统所需 要的吸附剂和电池的重量。对于任何PSA方法，通过采用带有良好吸附容量和动力学性能的吸附剂材料的快 速循环可以实现回收的改进。在快速循环方法中，吸附动力学是降低吸附剂床尺寸的重要 因素。如上所述，吸附剂床可以包括在其中除去不同浓度进料污染物的预处理区和主分离 发生的主吸附剂区。在PSA氧浓缩器中，污染物一般包括水、CO2、胺、硫氧化物、氮氧化物和 微量烃。通过在氮选择性吸附剂上吸附氮影响了主分离。由于氮选择性吸附剂对这些污染物具有高吸附亲合力，一旦其被吸附就很难除去 吸附的污染物。这不利地影响其中通过经吹扫再生的预处理吸附剂除去污染物的氧PSA系 统中的氮/氧分离效率。本发明的实施方式贯注于降低预处理层中吸附剂的量同时在各种 环境运行条件下保持氮选择性吸附剂的性能。图1中阐释了适当的进料气预处理的重要 性，该图是Li X型沸石上干燥氮吸附容量对吸附相(水和CO2)的图表。看出在吸附 的水和CO2的低水平下出现了氮选择性平衡吸附剂容量的显著劣化。水蒸气是用于从环境空气中回收氧的PSA系统中的关键进料污染物。诸如X型沸 石和包含锂的低硅沸石的氮选择性吸附剂强烈地吸附水，需要高活化能以便在再生中除去 吸附的水。水对用于PSA空气分离的沸石的污染导致了如图1所示的氮容量的显著降低。 由于浓缩器在宽范围的温度、海拔高度和湿度水平的环境条件下运行，便携式氧浓缩器的 进料空气中可能存在宽范围的水浓度。因此，任何便携式浓缩器系统必须为宽范围的进料 气污染物水平进行设计。用于描述PSA系统运行的关键参数是吸附剂床中气体的表观接触时间。这个参数
的定义为人。=-[1]其中L是床长度以及Vtl是基于空床体积的通过床的进料气的
表观速度。可以将表观接触时间定义为对于包括预处理层的床中的所有吸附剂，或备选地 可以定义为仅对于预处理层。需要最小的表观接触时间以便选择用于除去污染物的吸附 剂。在一般环境条件下(例如，环境空气进料中10-20%的相对湿度)，在氧PSA系统 中运行没有预处理吸附剂的沸石床将会在短时间内导致系统性能的显著降低。在用采用全 床氮选择性Li X吸附剂而没有预处理层的单床氧PVSA系统进行的实验中阐释了这种现 象。在四步方法(进料再加压、进料/制备产品、排空、吹扫)中循环UOP Oxysiv-MDX吸附剂的单床。床ID是0. 88英寸，床高度是2. 47英寸，总循环时间是19秒，并且产物速率是 43-48sCCm，其中床进料表观速度为大约0. 38英尺/秒。图2给出了这个实验的结果，该图 是在80，000个循环期间内氧产物纯度对时间的图表。由于缺少预处理层而导致的随着时 间的推移产物纯度的降低几乎立即发生并且在实验期间内几乎单调地持续。用于一般的便携式氧浓缩器设计的方法条件可以包括在PVSA中为大约0. 4atma 至大约1. 7atma之间并且在PSA方法中为大约Iatma至大约6atma之间的循环差动压力 (cycle differential pressure)。为了获得65%的氧回收(即进料气中作为产物回收的 氧的百分比)，需要在大约2标准升每分钟至大约40标准升每分钟范围内的进料流速来制 备0.25至5.0标准升每分钟的93%纯度的氧。氧浓缩器的运行温度一般是 70° F，但是 依赖于浓缩器的定位可以在0° F至100° F范围变化。海拔高度可以在从海平面到海平 面以上6000英尺范围变化。标准条件的定义为21. 1°C和latm。为了吸附剂床中有效的污染物处理，需要具有良好平衡性能和传质性能的预处理 吸附剂。可以获得各种吸附剂完成减少或除去进料污染物的任务。图3是对于典型的预处 理吸附剂的水的吸附热对水负载量的图表。预处理吸附剂和氮选择性沸石的吸附动力学可以通过传质系数ki量化，其中 k是对采用适当的传质模型的吸着物i的速率常数。通过拟合(fitting)实验临界点 (experimental breakthrough)或循环数据可以确定这个参数。拟合循环数据考虑到了存 在于实际方法中的传质阻力所有机制的全部组合，通过从循环数据中获得的传质参数确定 更精确的方法动力学模型。构建了实验性的单床PSA设备来评估水吸附在给定吸附剂上的传质参数。该设备 能进行实验性方法操作，其中床压和进料流速可以变化。为了确定有代表性的传质系数k， 在选定的压力和进料速度下运行该设备以匹配实际的或计划的全规模方法的那些。图4是单床实验性系统的示意性流程图。测试系统包括包含吸附剂的吸附容器 110、空的产物罐111以及提供空气进料流并且也在吹扫阶段提供真空的空气压缩机101。 通过节流经过阀102的排出流来调节空气进料流速并通过流量计103测量。消音器/过滤 器104位于进料入口 /真空出口。一组气压阀(105-108,112)通过可编程逻辑控制器119 顺序地运行。通过可编程逻辑控制器调整PSA循环中方法步骤的持续时间。通过吸附器床 产物端的压力传感器109和通过产物罐入口端的压力传感器115来测量压力。止回阀113 控制着到产物罐111的气流的时间安排。通过针形阀118调节产物流，通过顺磁性氧分析 仪116测定氧纯度，以及通过流量计117测量流速。在系统进料入口处测量进料气温度和 湿度。系统位于环境受控的实验室内。采用标准测试程序来评估吸附剂的传质特性。床压从大约0. 3atm到大约1. 2atm 循环，氧产物纯度保持在93%，以及进料和评估气表观速度为大约0. 39英尺/秒。为了达 到这些目的必需稍微改变循环时间以及改变产物流速。通过直接测量确定进料气湿度、压 力、温度以及流速。在循环稳态下测量产物流速和浓度。利用所有收集的方法数据，建立 计算机模拟模型来确定测试吸附剂的传质系数k。该计算机模型SIMPAC是一种求解具有 一个或多个吸附剂床和多组份进料气的循环的能量、质量和瞬时平衡的过程模拟器。该过 程模拟器可以利用一定范围的传质和平衡模型。SIMPAC的使用和确认记载于美国专利第 5，258，060号中，其结合于此作为参考。在选择的传质模型中，k是来自已知的具有分压驱动力的线性驱动力模型的速率常 其中H是小球中吸附的平均
量，q*是每单位体积吸附剂吸附的平衡量，以及k是传质系数。采用单组份等温线来描述平衡性能，确定轴向渗透(axial dispersion)是可以忽 略的，以及在非等温能量平衡中采用了自然对流传热模型。在确定水吸附在被鉴定材料上 的传质行为时，采用了具有两个吸附剂层的床。第一层仅吸附水和二氧化碳，而第二层对进 料气中的所有组份具有亲和力。第二层是充分表征的材料，对于它来说所有纯组份等温线 和传质系数是已知的。除了循环实验外，实验完成后从完好保存区域中的吸附剂柱上取出 材料并通过解吸气体的热重分析(TGA)或优选带红外探测的热重分析(TGA-IR)进行水含 量分析。从该直接测量获得了吸附水的分布图(profile)并且与计算机模拟结果匹配。这 样确定了 k参数。把Alcan AA-300和AA-400以及UOP氧化铝筛选成各种粒子尺寸并用上述程序测 试。床高度在2. 4至3. 2英寸之间，以及内床径是0.88英寸。预处理床高度是1厘米并且 进料线速度是大约0.4英尺/秒。如上所述，对于这些材料确定的传质参数显示于表1中。 表1水在预处理氧化铝上的近似k值
吸附剂 单床实验被延伸来确定预处理动力学参数对方法的关键性能的总体影响。表2阐 释了预处理动力学对全部回收和床尺寸因素(BSF)的影响。用于吸附剂床主要部分的吸 附剂是UOP Oxysiv MDX, UOP Oxysiv-7和中试等级的LiLSX材料。具有相同主床吸附剂 的系统中性能的比较显示了可区分的差异，其中采用了具有高k值的预处理材料。例如， 我们可以比较例1和例7，其中采用了同样的Oxysiv-MDX并且床划分为30/70。通过采用 具有较大k值(200秒―1对30秒―1)的预处理材料，回收率从29%提高到45%，并且例7 中的床尺寸因素是例1中的73%。表2预处理吸附剂对单床VPSA方法的总体性能的影响
例 主床预处理 预处理吸附剂的传质性能也被用来预测先前记载于专利申请EP1598103A2中的 四床方法的性能，其中循环时间是6. O至8. O秒以及单个步骤时间是0. 75到1. O秒。在模 拟中和实验上都进行该四床方法从而阐释先前没有认识到的预处理层中污染物动力学与 便携式系统中总体产物回收率和床尺寸因素之间的关系。表3总结了这些实验结果。表3 预处理吸附剂对4床VPSA方法的总体性能的影响
4床主床 预处理 k水 在93% O2下回收 BSF，
i微筛 主床比 /秒“的生产，slpm率，％ lb/TPDc
BB326 Oxysiv-MDX30/701253.166%156
PB334 Oxysiv-MDX25/751903.265%147在快速循环方法中，由于部分主床吸附剂变成不可逆的被污染的，在预处理层中 除去的水的量强烈地影响氮除去效率。最小化该主床污染对于维持期望性能是重要的。如 先前陈述的，对于从进料气中除去水来说，容量和吸附动力学都很重要。预处理吸附剂必须 具有相当低的活化能(吸附热)和高的吸附动力学。由于水对任何吸附剂的吸附热是不 可忽略的，吸附剂床中的热剖面(profile)成为在污染物除去和再生的效果中起作用的因 素。在其中相对于主吸附剂床中的氮选择性吸附剂水具有低解吸热的系统中，在接近等温 条件下运行系统有利。虽然没有方法能在完全等温下运行，接近等温条件的系统被定义为其中从吸附方 法到周围环境具有高度的传热的系统。如现有技术所示的，由于各种原因，在分层床界面附 近观察到称为“寒区(cold zone)”的温度效应，其中相对于进料入口温度，床的温度剖面 倾斜(dip)的很慢。随着改进的传热，该温度倾斜可以最小化。例如，通过单一传热参数hw 来描述从吸附剂床到柱体墙(壁)的传热程度，其中显示更高值的hw获得更窄的床温度剖 面。床温上的大幅降低导致更高的能量需求以再生“倾斜”发生区。在小的便携式吸附系 统中，增加的真空能以增加的压缩机容量以及因此的更高功率和重量的形式耗费。
CN 101927117 A
说明书7/9页
、床咼 英寸
3.1 2.6
10
该问题的解决方案是采用分层的吸附剂床，其中需要用来再生预处理吸附剂的能 量被最小化以及其中吸附和再生热容易地传自或传到吸附剂床。这种改进的效果显示于图 5和表4中，它们阐释了以前描述的4床系统的性能，其中显示了全部产物回收率和床尺寸 因素依赖于hw。压力下降效果在选择和最优化预处理吸附剂中是重要的。由于较小的粒子将具有 较好的传质性能和较高的k值，它们在快速循环系统中是优选的。然而，随着吸附剂粒子尺 寸的降低，存在与压力下降和操作有关的问题，这使得填充床中低于一定尺寸的粒子难以 实施。实施例2利用实施例1中描述的四床方法进行了模拟。假定了 latm、73° F和25%的相对
湿度的环境条件。采用了 25/75比例(预处理层/主层)的带有高度交换LiLSX主床层的
Alcan AA400G氧化铝预处理层的床，总循环时间是8秒以及采用了 0. 87BTU IbV0 F—1
的传热系数。对预处理吸附剂粒子尺寸和水传质系数 <的各种值进行了模拟。根据关系 ,· Deff
kx^3] kw的值是变化的，其中假定有效扩散率Drff对所有粒子尺寸是常数。确
定了每种情况的比绝热功率(specific adiabatic power)，进行比较。结果列于图6中，其显示了采用小珠粒子的产物回收效果，其中小珠粒子采用较小粒 子尺寸时具有增加的压力下降和功率的急剧提高。未捕集在图6的运行数据中的运行问题是 由于摩擦粒子造成的细粒物的产生，它的发生是由于移动和振动小粒子所需能量低于较大粒 子所需能量，因此增加了较小粒子的磨损可能性。这种细粒物和灰尘可以导致下游系统组件，特别 是阀的堵塞和故障。另一个问题是由于吸附薄膜对较小粒子的影响而导致的增加的传质阻力。
表4传热对4-床方法的影响(常数k)
实施例3 采用类似于上面所述的方法的4步方法进行单床实验。把具有平均粒径为0. 8毫 米的LiLSX和具有平均粒径为2. 0毫米的Alcoa AL H152预处理吸附剂负载在吸附剂柱 上。循环时间从85到105秒变化，伴随着进料时间在25和45秒之间变化，进料线速度从0.2到0.4英尺/秒变化。吸附剂柱长度为17英寸以及总长度的30%是预处理层。氧产 物纯度是90%以及实验完成前保持稳态大约300小时。柱传热系数(HTC)是大约0. 15BTUΓ1。上述的实验和实施例阐释了快速循环PSA方法的运行，其中每一吸附容器具有处 于进料端的吸附剂材料的第一层以便从至少包含水、氧和氮的进料气中除去水。采用吸附 剂材料的第二层以便优选地从干燥的进料气吸附氮从而提供氧产物。基于这些实验和实施 例的结果，发现对于第一层中吸附剂材料的物理性能(也就是，在吸附水负载量特定范围 内的水对吸附剂材料的吸附热)和相对于第一层的PSA运行参数(也就是吸附剂材料第一 层中的水传质系数)的特定组合可以获得最有效的PSA性能。当每克吸附剂负载小于大约0. 05毫摩尔吸附的水时第一层中的所选择的水对吸 附剂材料的吸附热等于或低于大约14千卡/摩尔，并且吸附剂的第一层中所选择的水传质 系数在大约125至大约400每秒的范围内。图3绘制出吸附热参数对水选择性吸附剂负载 量的图表，其中看出这些吸附剂中的一些落入水负载量以及吸附热的所选范围内，而另一 些没有落入。具有这些所选物理性能和传质特性范围的第一层中的吸附剂可有利地用于快 速循环PSA方法中，其中第一层中进料气的表观接触时间在大约0. 08至大约0. 50秒之间。
权利要求
一种用于制备氧的变压吸附方法，包括(a)提供至少一个具有进料端和产物端的吸附容器，其中容器包含邻近进料端的吸附剂材料的第一层和设置于第一层和产物端之间的吸附剂材料的第二层，其中第一层中的吸附剂从包含水、氧和氮的混合物中选择性的吸附水以及第二层中的吸附剂从包含氧和氮的混合物中选择性的吸附氮，并且其中当每克吸附剂负载小于大约0.05毫摩尔吸附的水时第一层中水对吸附剂材料的吸附热等于或低于大约14千卡/摩尔；(b)把包含至少氧、氮和水的加压进料气引入吸附容器的进料端，使气体连续通过第一和第二层，在第一层中的吸附剂材料中吸附至少一部分水，并且在第二层中的吸附剂材料中吸附至少一部分氮，其中吸附剂材料的第一层中水的传质系数在大约125至大约400每秒的范围内；以及(c)从吸附容器的产物端取出富氧产物气，前提是满足下述条件i)或ii)中之一i)第一层中加压进料气的表观接触时间在大约0.08至大约0.50秒之间；ii)第一层中的吸附剂材料的克重量与产物气中氧纯度为93％、以标准升每分钟计量的产物气的流速之间的比率低于大约50克/标准升每分钟。
2.权利要求1的方法，其中满足条件i)。
3.权利要求1的方法，其中满足条件ii)。
4.权利要求2或3的方法，其中第一层中的吸附剂材料包含活性氧化铝。
5.权利要求4的方法，其中活性氧化铝具有在大约0.3毫米至大约0. 7毫米之间的平 均粒径。
6.权利要求2或3的方法，其中第二层中的吸附剂材料从包含氩和氧的混合物中选择 性的吸附氩。
7.权利要求2的方法，其中从吸附容器产物端取出的产物气中的氧浓度为至少85体 积％。
8.权利要求2或3的方法，其中第一层的厚度为第一和第二层总厚度的大约10%至大 约40%之间。
9.权利要求8的方法，其中第一层的厚度在大约0.7至大约13厘米之间。
10.权利要求8的方法，其中吸附容器是圆筒形的，并且第一和第二层的总厚度与吸附 容器内径的比例在大约1. 8至大约6. 0之间。
11.权利要求2或3的方法，其中变压吸附方法在重复循环中运行，该循环至少包括进 料步骤，其中加压进料气被引入吸附容器的进料端以及富氧产物气从吸附容器的产物端被 取出；减压步骤，其中气体从吸附容器的进料端被取出以再生第一和第二层中的吸附剂材 料；以及再加压步骤，其中通过把一种或多种再加压气体引入吸附容器以加压吸附容器，并 且其中进料步骤的持续时间在大约0. 75至大约45秒之间。
12.权利要求11的方法，其中循环的总持续时间在大约6至大约100秒之间。
13.权利要求2或3的方法，其中富氧产物气的流速在大约0.1至大约3. 0标准升每分 钟之间，
14.权利要求13的方法，其中第一层中的吸附剂材料的克重量与产物气中氧纯度为 93%、以标准升每分钟计量的产物气的流速之间的比率低于大约50克/标准升每分钟。2
15.权利要求2或3的方法，其中产物气中氧纯度为93%时在产物气中回收的氧的量 大于加压进料气中氧的量的大约35%。
16.权利要求2或3的方法，其中第二层中的吸附剂材料包含一种或多种选自由X型沸 石、A型沸石、Y型沸石、菱沸石、丝光沸石和斜发沸石构成的组的吸附剂。
17.权利要求16的方法，其中吸附剂材料是其中至少大约85%的活性部位阳离子是锂 的锂交换低硅X型沸石。
18.权利要求2或3的方法，其中加压进料气是空气。
19.权利要求3的方法，其中从吸附容器产物端取出的产物气中的氧浓度为至少93体 积％。
全文摘要
本发明涉及变压吸附系统中浅床中的性能稳定性。用于制备氧的PSA方法，包括(a)提供具有对水有选择性的第一层吸附剂和对氮有选择性的第二层吸附剂的吸附器，其中当水负载量小于大约0.05毫摩尔每克时第一层中水对吸附剂的吸附热等于或低于大约14千卡/摩尔；(b)使包含至少氧、氮和水的进料气连续通过第一和第二层，在第一层吸附剂中吸附水，并且在第二层吸附剂中吸附氮，其中第一层中水的传质系数在大约125至大约400每秒的范围内并且第一层中进料气的表观接触时间在大约0.08至大约0.50秒之间；以及(c)从吸附器取出富氧产物。
文档编号B01D53/047GK101927117SQ200910258489
公开日2010年12月29日 申请日期2009年11月20日 优先权日2008年11月21日
发明者M·J·拉布达, R·D·怀特利, T·C·戈尔登 申请人:气体产品与化学公司