使用混合吸附剂层的压力摆动吸附的制作方法

专利名称：使用混合吸附剂层的压力摆动吸附的制作方法
技术领域：
本发明涉及压力摆动吸附(PSA)和真空压力摆动吸附(VPSA)气体分离系统，具体地说，本发明涉及在含有两层或多层吸附物质的PSA和VPSA吸附剂床系统中，使用混合转换吸附剂层的方法和设备。
背景技术：
为了从进气流中除去或者分离出多个组分需要多个分离区，故现有技术中引入了不同的吸附剂层。由于多种原因，吸附剂层之间的界面清楚地与分离区之间的明显边界相吻合。任意一层可以是由或者单一吸附剂，或者混匀的多种物质组成。虽然有明显界面的复合层在某些应用中，相对于单一吸附剂来说有了提高，但它们限制了这些吸附物质根据方法要求来特别制造的程度。
在现有技术中也介绍了由于吸附剂装填装置的限制而表现出明显界面区的吸附剂。现有技术的吸附剂装填设备提及了物质的装填和密集装填，但是仅局限于在吸附剂的每一个区或者每一层，装填单一吸附剂或者混匀的多种吸附剂。这种装填系统能够向径向床吸附分离区或者吸附剂层同时装填不同的吸附剂。
现有技术介绍了许多将吸附剂装填到吸附剂床中的设备，以及对各个床层吸附剂进行不同的安排。以下是对这类现有技术的探讨。
题为“利用两层相邻物质之间的通道，对至少一种流体进行处理的安放形式”的美国专利5837021，介绍了一种垃圾车型装填器的装配，它在径向流吸附容器里能够产生分层的吸附剂，同时在这些物质层间会产生明显的垂直界面。该专利也指出，床层构型显示了吸附剂之间的直接接触。
题为“利用两层相邻物质之间的通道，对至少一种流体进行处理的安放形式”的美国专利5931980，公开了各物质层之间有明显界面的分层吸附剂床，如径向流吸附容器。这意味着，该床层会显现出实际上呈“波浪状”的连续界面。
题为“吸附分离的吸附剂和方法”的美国专利5176721，采用在水平位置装填柱状床，然后在垂直位置操作的工序。这种工序允许每次将一种吸附剂增重装填，最终形成具有明显直接接触界面的垂直吸附剂层。以水平流通过各层来操作这种垂直方向的、垂直分层的柱状床。
题为“颗粒装填器”的美国专利5324159，介绍了一种旋转装填器臂组合在装设各个独立吸附剂层的应用。该装填器系统特别适用于轴向流床的吸附剂装填。
题为“径向流容器的多吸附剂装填方法和设备”的美国专利5836362，介绍了一种能够向径向流床吸附容器中装填多种吸附剂，同时在层与层之间产生明显界面的装填器组合。各层之中的物质可以是单一的吸附剂或者混匀的多种吸附剂。该专利也介绍了为达到所希望的明显层界面的装填标准。
题为“多区吸附法”的美国专利4964888，介绍了一种含有多个吸附剂层的吸附剂，每一层都具有为了改进传质速率而进行选择的，不同的珠粒大小。该专利也介绍了夹在这两层之间的第三层，该层含有相邻层物质的混合物。未给出装填这样的吸附剂层的方法。
题为“吸附设备”的英国专利申请2300577，介绍了一种带有各种珠粒状大小吸附剂的吸附设备。该申请介绍了一种筛孔径装填的分层床和一种不同颗粒大小装填的未分层床，两者与美国专利4964888的方式相似。
需要提高PSA和VPSA系统所用的吸附剂床的效率。进而也需要一种低成本的吸附剂床，但它的效率得到改善。

发明内容
本发明在一个吸附剂床中构建了一个混合吸附转换区，该转换区含有在明显的吸附剂层之间的相邻分层物质的逐级组合物。与具有明显界面的多层体系相比，这个混合吸附剂区导致了工效的提高和生产费用的整体减少。
本发明所介绍的组合装填器被设计成可以同时装填含有不同吸附剂的多个吸附剂层，同时可以控制这些层之间的混合转换区。而且，这种组合装填器可以连续控制这个混合转换区内的物质分布。混合吸附转换区内吸附剂的高度和组成根据工艺要求来建立，并通过吸附装填器装设实现。在混合转换区内希望物质组合物成分如此逐渐变化，从约100％的相邻层物质到这个区的某些地方有50％的混合物，再到混合转换区边缘有约100％的另一种物质。优选该混合转换区的最小高度为20个颗粒直径的大小。


图1A举例说明典型的VPSA循环步骤图。
图1B举例说明典型的VPSA工艺条件。
图2举例说明吸附剂床的吸附区。
图3举例说明在吸附末期和解吸步骤的平均床温曲线。
图4A举例说明用于探测吸附剂床温曲线的混合转换床构造。
图4B举例说明用于探测珠粒大小变化的混合转换床构造。
图4C举例说明在1.6mm的平均颗粒直径下、LiX吸附结束时的氮气浓度分布。
图4D举例说明在1.13mm的平均颗粒直径下、LiX吸附结束时的氮气浓度分布。
图5A举例说明根据本发明实施方案的轴向床装填器臂组合。
图5B举例说明轴向床装填器臂的截面视图。
图5C举例说明装在轴向床装填器臂上用于控制吸附剂流的阀片。
图6A举例说明根据本发明实施方案的径向床装填器臂组合。
图6B举例说明径向床装填器臂的截面视图。
图6C举例说明装在径向流床装填器臂上的通道，它能在该径向床中产生混合吸附区。
图7举例说明吸附区厚度与落差的关系。
图8举例说明吸附区厚度与装填流量的关系。
图9举例说明吸附区厚度与分离长度的关系。
具体实施例方式
简而言之，本发明包括一种吸附剂床结构，该结构包括至少两个吸附剂或者均匀混合的吸附剂混合物区域，其中这些区域被转换区域所分开，该转换区域含有相邻区域物质的逐级混合物。这些分层的吸附剂床区的界面不一定必须与吸附剂的主要分离区相吻合。本发明还包括一种方法，用于向各个区装填吸附物质。混合转换区层状床构型本发明中的混合或转换区所表现出的热力学、动力学和物理学性质与相邻吸附剂层中的物质有关。让人吃惊的是，在混合区中吸附剂的选择和逐级变化能够导致工艺性能的改进。具有代表性的改进包括工作容量的提升，更高的选择性，热力循环的减少，压力差更低等。改进的类型和程度依赖于工艺、吸附剂和逐级混合区的深度而定。因此，对多种不同类型的分离和吸附构型，使用本发明的混合转换区的好处都能够实现。
已发现，在转换区中的吸附剂混合物的特性与局部工艺条件相互作用，从而提供了更高的分离效率，这是相对于相邻层的物质基本上不混合(即在各层之间具有明显界面的层状吸附剂床)所能达到的效率而言的。该发现导致了工艺性能的提高。
混合吸附转换区的优点总结如下(1)减少了热力循环通过强吸附剂和弱吸附剂的逐级混合；或者通过吸附剂与吸热物质的逐级混合；或者同时使用以上的两种方法；-达到更低的吸附剂床大小和减少的净化过程以及更低的能量需求。(2)通过把吸附剂组合物和床操作温度相匹配以提高吸附剂性能；和/或将吸附剂进行逐级混合；-达到更高的绝热分离因数，更低的能量，更小的吸附剂床尺寸因数和降低吸附剂的费用。(3)通过不同粒径物质的逐级混合得到更低的压力差-实现更低的能量要求。(4)通过不同平均粒径吸附剂的逐级混合得以提高传质速率减小传质区的大小、增加氧气的回收率和/或纯度，同时增加吸附剂生产率。
下面介绍的两个例子是用来证明混合转换区的优点(1)将吸附剂混合物的热力学与热循环和局部温度梯度进行综合；(2)使用不同平均粒度的吸附剂混合物，当传质区在不同平均粒径大小的吸附剂层之间移动时，可以使传质区的转换变得容易。
本发明用于压力摆动吸附和/或温度摆动吸附体系，该体系拥有一个或者多个吸附床层，并且不依赖于特殊的气体分离或者工艺循环。
由于吸附剂的选择和混合使工艺性能得以提高，所以特定温度下每一个吸附区内的吸附热力学得到改进。
在吸附工艺的操作过程中，在吸附剂床中会存在或者出现明显的分离区。图2举例说明了这些分离区。从容器12的底部10进料，接着进入径向吸附剂14的A区。A区的主要作用是对进料进行预纯化，特别是除去水和CO2。离开A区后，流体进入主气体分离区B区。就是在这里进行所需的大多数气体的大部分分离。在吸附步骤的最后，B区用进气达到平衡，故称之为“平衡区”。在B区，吸附步骤开始时会出现传质线展开，并穿过B区直至到达C区。在传质线来自C区末端时传质线喷出之前，停止吸附步骤以保持产品的纯度。产品气体在C区的出口产生并被除去，在C区它流向容器12顶端的出口16。C区称作“传质”区。
在吸附过程中，在吸附剂床内出现温度梯度。一旦循环达到其稳态操作，那么整个循环步骤中吸附剂床一直会有这个梯度。但是，吸附剂床每个局部的温度(梯度的局部点上)都会随循环中的每一步骤进行波动。这就在吸附剂床内的每一个局部产生了“热摆动”。在吸附末期和解吸步骤分别形成了这个热摆动的上下边界，以及温度梯度的边界。在图3中，给出了在VASP空气分离过程中，含有NaX和LiX吸附剂的层状床的温度梯度及得到的热摆动的例子。在这个例子中，为了实现不同的分离而使用了不同的吸附剂。因此，使用NaX的唯一目的是为了在用LiX除去氮气之前，就从进气中除去CO2和H2O。
这些局部床温摆动(或者是热摆动)是吸附和连续吸附以及解吸步骤热的直接结果，对该方法产生不利影响。这是因为在解吸过程中会出现最低的局部温度，而在吸附过程中会出现最高的局部温度。这种不利的床温变化导致了净化过程增多和吸附容量降低，因此降低了吸附剂的效率。
所有的压力摆动方法都体现了吸附剂床内的热循环，以及特征性的温度梯度。应该这样理解，就是对不同的分离、吸附剂和/或工艺条件，这些温度梯度可以不同。而且，这种热力学曲线也可以随着吸附剂床中的传热设备而变化。本发明不局限于温度梯度的任何具体实例，但是着重强调这些温度梯度的存在情况。
吸附剂床温度梯度的特征如上所述，图3说明了沿VPSA空气分离循环的吸附剂床程的典型温度梯度。底部或者吸附剂的进料端的操作温度与进料温度几乎相同或者稍稍低一点。接着就发生相对较快的温度下降，在吸附剂的下半部，就是在预纯化区A区的出口，达到最低温度。然后随着作为产品端的B区和C区的接近，温度逐渐上升。在接近吸附剂顶端的产品端时，温度一般达到最高。
在吸附器区域内可以对这种或者其他工艺操作选择吸附剂，该吸附器中的吸附特征根据这个温度曲线调整。
另外根据本发明，通过综合吸附混合物的性质和吸附剂床中的局部温度条件，混合转换区可用于减少热循环的不利影响。这可以通过引入一种充当吸热物的物质，或者通过采用更弱的吸附剂和更低的吸附热来完成。将混合区进行配置，以减少这种不需要的热循环，增加吸附效率和提高工艺性能。
图4A介绍一种采用混合转换区来探测存在于吸附剂床中的温度条件的吸附剂床的构型。根据单个吸附剂和它们的混合物的吸附性质，并根据床层局部温度条件调整，通过混合转换区每一边的吸附剂的选择和分层可以改进工艺性能。让人吃惊的是，吸附剂构型的边界(图中的aa/ab和ab/bb线)与分离的边界线(图中的A/B和B/C)并不一定需要吻合，就能达到这种工艺性能的改进。通过明显分层吸附区与两分层吸附区之间的混合转换区相结合，绝热分离因数沿着吸附剂床程上的每一个温度点达到最大。这种绝热分离因数的有关公开在共同转让的美国专利6027548中。
在上面图4A中所介绍的例子中，吸附剂床的aa区是用NaX构成的。在aa区中的吸附剂，使用快速降温曲线在吸附剂的预纯化区(A区)中进行操作。这个区中含总吸附剂的约5-10％。bb区含有LiX并占据吸附剂的整个C区和部分B区。这个区占总吸附剂的约70-80％。
混合转换区(ab)介于单独的LiX吸附剂和NaX吸附剂层之间。这个区域下端是100％的NaX在边界aa/ab，并且该区域的组合物中的LiX逐渐增加的，直到在ab/bb边界到达100％的LiX。调整ab区的长度(也称为ab的深度)，在靠近主分离区(B区)的连续变化低温区获得最好性能。所需的转换区(ab)大小依赖于工艺条件和吸附剂。由此，转换区的大小基于吸附剂床中的吸附剂的热状态，并基于吸附剂混合物的分离特征设立。
对于示范物质，使用美国专利6010555(共同转让)和图1A-1B举例说明的工艺，理想转换区含有约10-25％的整个吸附剂床长度的LiX区，这部分在整个循环步骤中床温都低于约300-305K，并被LiX和NaX的逐级混合物所代替。作为一般规律，优选该转换区的厚度不小于约20个颗粒直径大小TR≥20[(dp1+dp2)/2]其中，dp1和dp2是在逐级混合物中的各吸附剂的平均粒径。设立这样的低限是为了保证有足够的床层长度提供给逐级混合物。在本发明的申请中，非常陡的温度梯度导致更短的混合区，而较缓的温度梯度会导致较长的混合区。
为本公开内容的目的我们指出，粒径和颗粒直径定义为一个吸附区中的所有颗粒的平均直径。该技术领域内的技术人员应理解，商业上的吸附剂一般是根据以平均颗粒直径为特征的筛分大小来提供的。
在上面的例子中，混合转换区(ab)中可以使用额外量的NaX，以此来减少更贵的LiX物质的用量。这就可能在吸附剂床的较低局部温度区，获得吸附剂混合物的分离效率的提高。
因此，通过混合两种吸附剂也降低了该方法的整体吸附剂费用。由此，选择转换区混合物的混合物梯度和区域深度使吸附剂效率达到最大，导致了整个方法的改进和产品费用的下降。
本发明的转换区也可以用于使压力差最小，以及用于优化速率影响。
流经吸附剂床的流体受到吸附和解吸、床的几何构型变化、温度以及压力的影响。整个流体的表面流速受到所有这些因素的影响，在整个床程中都在变化。因此在经过吸附剂床时就出现一个压力梯度。这种不希望出现的压力梯度在PSA循环的所有步骤中都存在着，并降低了整个工艺性能。
在吸附剂的底层存在最大的压力梯度，这是因为在这些区中存在着高速进出的流体。在吸附的上半部存在较小的压力梯度，因为这些床区内流体减少。这样的床压力差是不希望出现的，并且导致分离效率降低。
已知使用较大的颗粒可以改变局部的压力梯度，另一种控制压力梯度的方法是通过控制在一个区内的吸附剂粒径分布。传质速率的影响在典型的PSA工艺的吸附步骤中，一条吸附边缘线沿进料流体方向传过吸附剂床。该传质线受到吸附剂特性、气流和具体的方法步骤以及时间的影响。
在吸附剂床的下半区中，当传质线经过时，吸附达到饱和并且这些区有足够的时间与进料达到平衡。因此，下半区的分离效率由吸附剂的平衡特性和工艺条件所控制。在吸附步骤的末尾，传质区(MTZ)到达并停留在吸附剂的上半区。其分离效率由这个区中的物质的传质速率特性所决定。
MTZ的长度影响整个工艺的性能。MTZ几乎整个包含在吸附剂床的产品产出末端，包含在吸附步骤的末端，例如，如图4C中所示，用平均颗粒直径为1.6mm的LiX的均匀床中的N2浓度分布进行的举例说明。通过对比，图4D中给出了相同类型吸附剂在吸附剂床中相似的分布，但平均颗粒直径为1.13mm。
图4D中，较短的MTZ是在更大的床压力差的代价，即由于粒径更小下获得的。只有在靠近床的产品端的MTZ区，通过含高速的物质才能显著减轻这个问题。
然而不幸的是，分隔不同平均粒径的吸附剂的明显界面使得传质线的运动产生不连续。这种不连续减少了较高速吸附剂的优点。虽然在含有较慢吸附剂的较长平衡区(bb1)中的传质线，在当它到达界面时完整展开，但是在含有更快物质的较短区中就不是这样了。
虽然，通过使用更小的珠粒来增加传质速率，可以提高吸附限速区的性能，但是如上所述，这些更小的珠粒导致通过吸附剂床的更大压力梯度。这种竞争型的影响可以通过本发明中在整个区中引入连续变化颗粒直径分布的混合转换区而得以控制。这就使得传质线在从低速物质进入高速吸附剂过程中时，逐渐变得尖锐。具有用于探测珠粒大小变化的混合转换区吸附剂床构型的例子为了证明该实施方案，把图4A中的吸附区bb细分成三个小区，把混合转换区再次夹在两个均匀混合物的吸附剂层之间。图4B举例说明了这个构型。bb1和bb3层代表同种吸附剂物质，但各层具有不同的平均颗粒直径。bb2区是bb1和bb3的吸附剂的逐级混合物，重叠在平衡区和传质区。Bb2区的下半部是100％较大直径的物质，并且在这个区的吸附剂大小被逐级组成一种组合物，相应于这个区的另一端的100％较小粒径物质。这种不同粒径的颗粒间的混合提供了一种在平均粒径减小时，控制压力差和吸附速率这对竞争性影响的方法。这样，吸附效率可以最大。
混合转换区(bb2)的大小由具体传质区作用来确定，该作用由循环的具体吸附剂和工艺特性控制。
优选转换区的长度可以这样确立，即在不连续层中的两种物质的MTZ宽度差TR＝MTZ1-MTZ2对于图4C和图4D的例子，整个吸附剂床的长度保持不变。对于同样的工艺操作条件和O2产品纯度，MTZ1-MTZ2大约是7厘米。这样的转换区的长度也满足下式(1)确定的限制性条件TR≥20[(1.6+1.13)/2]≥27.3mm在上面的例子中，转换区的每一边上的不连续层不必由相同的吸附剂物质组成。
填充密度均一的高吸附剂填充密度在高效吸附工艺的设计中很重要。这种高密度填充提高了吸附剂床中的流体分布，对有效操作很关键。另外，吸附剂床密度高，降低了粒子间的空隙率，产生提高的吸附效率。
以上的例子证明了混合转换区的部分优点。本发明并不仅局限于这些能够实现的实例优点的情况。相反，混合转换的概念广泛用在由相邻层中的物质结合产生一个单一性质的区域，可以用作把吸附系统的任何理想性质用来获得以上提及到的混合转换区优点。由此，被混合转换区分开的两层中的吸附剂物质的组成可以不同，如物理性质(例如粒径，速率和/或平衡特性)或者吸附剂类型(例如NaX，LiX，NaA等)。这些物质可能根据各层所要完成的分离而有所不同(例如NaX用于分离CO2/H2O，以及LiX用于分离N2)。另外，这些相邻层本身可能含有吸附剂的混合物，这些吸附剂如在美国专利6027548中的公开内容。如上所述，本发明的一个目标是在吸附剂的利用和产品回收上获得重大改进，这通过吸附速率特性的提高，主要是通过在吸附剂颗粒的大孔中增加有效的扩散率而完成。在本发明的条件下获得的改善的回收率也导致生产每单位产品的能耗降低。本发明优选指导基于平衡的、由通过颗粒内部孔的扩散所控制的传质吸附分离工艺。虽然这些例子是关于使用单一主要吸附剂的空气分离，但本发明既不局限于二元混合物，也不局限于空气进料，并且不局限于单一主要吸附剂。
另外，当要完成不止一种分离时，可以考虑包括一种或者多种吸附剂作为主吸附剂。在这样的情况下，每一种吸附剂负责不同分离或者同一分离的不同级别。这样就会在过程中存在多个传质区。对每一个吸附剂/被吸附物的组合进行与上面介绍的相似分析，其中克服巨大的传质阻力限制将会导致整个工艺性能的改进。因此，选择在主吸附区中的不同吸附物质的性质(特别是那些与吸附速率有关的性质)，以便使所有该过程所要求的分离得以最大化。这样的过程的例子包括从H2/CO/CO2/CH4混合物中回收H2；预纯化，包括从空气中除去H2O和CO2，从空气中分离出Ar或者N2或者O2，干燥工艺气流和从废气或者用H2的PSA尾气中回收CO2。
建议将X型的沸石吸附剂用于空气分离，最优选高交换的LiX，如Chao(美国专利No.4859217)所介绍的。其他具有单价阳离子或者混合阳离子的X型物质也适用于本发明，如Chao(美国专利No.5174979)所建议的那些。本发明也可以使用任何类型的平衡选择性吸附剂物质包括，但不局限于以下各类A-沸石，Y-沸石，菱沸石，丝光沸石，斜发沸石及其不同的离子交换形式，以及二氧化硅-氧化铝，氧化铝，二氧化硅，钛的硅酸盐以及它们的混合物。
也应指出，本发明可以在主吸附剂区，如不同类型的或者同一类型但具有不同吸附和/或物理特性的吸附剂的层和混合物中，用吸附剂的各种展开实施。例如，本发明中提速概念可以用于由Ackley的共同未决申请SN 08/837411，以及Notaro等人(USP 5674311)和Watson等人(USP 5529610)所提出的层状床。
最后，在本发明的基础上的进一步提高可以通过分布不同速率性能的吸附剂使压力差和/或传质区大小最小获得。性能的选择应该是为了增加吸附速率和使吸附步骤末端的传质区部分大小最小。
本发明提出一个提高工艺性能的方法，就是通过减少传质限制而使工艺中的压力差没有任何增加。减少床深度和循环时间是为了补偿当减小粒径时所增加的比压差(每单位深度吸附剂的压力差)。然而有可能出现这样的情况，就是希望压力差进一步降低和/或希望或者必须使用具有不同速率特性的吸附剂。在这样的实施方案中，可以在平衡区使用较差吸着速度-质量的吸附剂(低传质系数)，以及在传质区使用同种吸附剂的较高吸着速度-质量的类型(高传质系数)。
可以考虑，在后者条件下，较差吸着速度-质量物质也可以是更小直径的。这将导致一种构型，它在吸附剂床粒径上与现有技术说法完全相反。这样，当必须使用具有不同速率特性的多种吸附剂时，将最大传质速率系数的吸附剂保持传质区中可以保证整个工艺最好的性能。
由于传质区在开始阶段形成，并发展而最终成为平衡区(在吸附步骤的末端)，所以相对于后面的吸附剂层的吸附速率不能太低。这是因为传质区的前沿将会在尾随边缘经过两类物质之间的边界之前从吸附器上断裂。这将导致平衡区大小减小和传质区的增大，并因此使整体产品回收和/或产品纯度更低。
这种情况可以最小化，即通过选择吸附剂和最具选择性组分的传质系数(MTC)，以便在具有最低MTC的吸附剂中的传质区的大小不低于在具有最高MTC的吸附剂中的传质区的大小的两倍。
这个问题也可以通过用这样的一种方式来分配吸附剂而解决，这种方式就是为了获得从吸附器的进口到出口的传质系数(与不连续层相相反)的逐级增加。当为了多种分离在主吸附剂中含有多个吸附区时，最好是传质系数梯度的概念(或者通过不连续层或者通过逐级变化)能够单独用于每一个所包括的分离区。
本发明这些概念并不局限于任何具体的工艺条件，而是可以用于一个大范围工艺条件，例如，温度，压力，进料速度等。在为了保证最好的工艺性能而应用这些工艺条件之前，只需估计所述的工艺条件下吸附剂的速率特性。同样，这些概念可以用于单床工艺，以及复合床工艺，用低于大气压(VSA)、与大气压相同的压力(VPSA)或者高于大气压(PSA)的循环进行操作。
虽然在该中公开的实例使用的是八步循环，但是本发明的优点也可以用于由较少步骤组成的更简单循环和由较多步骤组成的更复杂的循环。
这里介绍的提速概念不局限于任何特殊的吸附器构型，而且能够有效用于轴向流、径向流、横向流等吸附器。吸附剂可以固定在或者不固定在吸附容器中。
本发明的优点也可以在这样的循环中获得，在这些循环中，其主要产品是具有更大选择性吸附的组分(例如N2)或者在这些循环中，更强和更弱的吸附组分都回收成为产品。
虽然在上面的例子中只包含一个混合区域，但是，该技术领域内的技术人员应认识到，取决于要解决的分离问题，也可以使用几个混合区。
而且，本发明可用于有一个或更多吸附剂床的压力摆动吸附和/或温度摆动吸附体系，而不依赖于特殊的气体分离或者工艺循环。具有混合转换区的吸附剂床的装填设备如上所述，由在两层吸附剂之间夹入混合吸附剂转换区的吸附剂床构型有好几个吸附剂和工艺优点。现有技术为了处理吸附剂层而设计的装填设备的目的在于在层与层之间产生明显的界面。美国专利5324159和5836362介绍的密集装填器系统的方法，用于轴向和径向床，本发明将其改进后能够产生混合转换区，专利在此引入作为参考。本发明的范围也包括了一种向具有这种混合转换区的吸附剂床装填吸附剂的设备。轴向床装填器本发明改进了专利5324159介绍的吸附剂床装填器，即为每一种物质添加单独的装填器臂通道。在每一个装填器臂通道中，用滑动阀片来改变有效孔径。图5A-5C介绍了这种装填器装置。如图5C所示，通过调整阀片可以在装填过程中改变孔径，并由此影响各种具体吸附剂物质在各自通道中的流速(见图5B)。在装填方法中使用这种控制是为了当装填臂在吸附剂床上方转动时，在吸附剂床的每个区中获得获得希望的床层组成。当吸附剂床以垂直位置从底部向顶部装填时，任何一个区组成可以在0％-100％。径向装填器本发明改进了专利5836362介绍的径向吸附剂床装填器，即添加为在混合区中控制吸附组成而设计的特性。图6A-6c介绍了这种装填器的组合，其中完成吸附剂装填的控制是通过下面的方法(1)调整物质的落差；(2)通过如下改变调整装填流量-改变孔径，装填器臂的旋转速度，吸附剂粒度(平均粒径)-改变从臂中悬出的分隔片的长度。
(3)改变在不同装填臂中重叠的吸附剂的数量；(4)改变在装填器臂中孔的分布。小转换区在应用中，当混合转换区相对较小，即长度标称为2-10cm时，可以用下列方法控制其组成(1)调整物质的落差；(2)调整孔径，装填器臂的旋转速度和/或珠粒大小来改变吸附剂的装填流量；(3)调整从臂中悬出的分隔阀片的长度。
为了在小转换区中获得理想的逐级混合物，已经确定了重要的装填关系。
图7介绍了在落差和混合转换区厚度之间的相互关系。影响混合转换区厚度的一个主要因素是，在装填中当吸附颗粒碰撞到位于吸附剂床顶端的静态颗粒表面时造成的部分吸附剂颗粒反弹。这样的反弹是包含于下落颗粒中的能量造成的结果。增加落差，既增加颗粒的能量，又增加混合层的厚度。
图7说明约1m的落差可以获得约2cm这样小的混合区。在落差延伸到约8m时，转换区延伸到25cm。
图8介绍了装填流量(以装填臂的每次旋转，每克吸附剂/m2床表面积计算)和混合转换区厚度之间的相互关系。如上所述，部分下落吸附剂由静态吸附剂弹起，自由降落分散，其弹落距离受到颗粒的能量和在颗粒之间实际接触面的影响。
增加装填流量，不仅增加在这些反弹的颗粒和那些从装填臂中下落的颗粒之间的相互干扰，而且增加反弹颗粒之间的相互干扰。因此，分散区减小，并且如在美国专利5324159中介绍的那样，自由装填充密度减小；(相反，当减少装填流量时，并因此减少反弹颗粒之间的相互干扰，产生自由的，更密集的填充)。图8表明了在标称落差为4m的情况下，这种装填流量和分散区厚度之间的对照关系。使用更大的孔径，更慢的臂转速和更小的颗粒可以增加装填流量。
图9介绍了在标称落差为4m的情况下，分隔长度和混合转换区厚度之间的相互关系。从装填臂的孔中出来的吸附剂物质有一个适度的径向速度与运行轨迹，并由此产生了一个更宽的混合区。使用粒子导流板来减少这些组分的速度，并由此减少混合区的宽度。
导流板也可以延伸到正好位于装填好的吸附剂床表面上方的位置。伸出的颗粒隔板可以控制或者消除由于床上表面的反弹作用的影响。这个长度控制可以在非常高的落差下，将转换区减少到厚度为约2cm。大转换区在希望得到一个超过15-20cm的大混合区的应用中，径向床装填器臂设计成对每一种要装填的物质的孔型有重叠。图8C介绍了在悬出的分配片上的具有重叠孔的装填臂。这些重叠孔及其间隔将决定这些相对较大的混合转换层中央部分的混合物的组成。更好的是装入装填器臂的物质可以是各种单个吸附剂的预混合物，因此为在混合转换区中获得大范围的可能吸附剂组成提供了很大的机动性。
应当理解前面的叙述只是本发明的举例说明。该技术领域内的技术人员在不超出本发明的情况下，可以做出各种变换和修改。因此，本发明将包括在所附的权利要求范围内的所有的这样的变换、修改以及改变。
权利要求
1.一种用于从气体混合物中分离出一种或者多种气体混合物组分的吸附剂床，所述吸附剂床含有含有第一吸附剂的第一吸附剂区；含有第二吸附剂的第二吸附剂区；和位于所述的第一吸附剂区和所述的第二吸附剂区之间的第三吸附剂区，所述的第三吸附剂区含有所述的第一吸附剂和第二吸附剂的混合物的转换区，所述混合物在贯穿该区域时其组成是变化的。
2.权利要求1的吸附剂床，其中所述转换区体现了所述混合物从一个所述吸附剂区到另一个所述吸附剂区的逐级变化。
3.权利要求1的吸附剂床，其中所述第一吸附剂显示出的平均粒径与所述第二吸附剂的平均粒径不同。
4.权利要求1的吸附剂床，其中所述第三吸附区的最小厚度至少为20倍颗粒直径。
5.权利要求1的吸附剂床，其还含有含第三种吸附剂的至少一个附加吸附剂区。
6.权利要求5的吸附剂床，其还含有至少一个附加混合转换区，夹在所述吸附剂附加区之间。
7.权利要求1的吸附剂床，其中所述第三吸附区剂显示在从所述第一区到所述第二区的方向上，所述第一吸附剂的百分比从100％变化到0％，以及在从所述第二区到所述第一区的方向上，所述第二吸附剂从100％变化到0％。
8.权利要求1的吸附剂床，其中所述吸附剂床是轴向或者径向床。
9.向吸附剂床装填多种吸附剂的设备，包括向吸附剂床运送多种吸附剂的进料管设备；与吸附剂床有关的进料管设备的移动设备；和为了在装填过程中，将所述多种吸附剂进料，以在第一吸附剂层和第二吸附剂层之间产生混合吸附剂区的设备。
10.权利要求9的设备，其中所述进料管设备绕着中心轴转动，并且至少包括第一通道和第二通道，所述进料设备包括沿着第一通道和第二通道长度上的重叠区中的一组孔，以便在第一通道中的第一吸附剂和在第二通道中的第二吸附剂，在它们分别从所述的这一组孔出来时混合在一起的。
全文摘要
本发明包括一种吸附剂床构型,该吸附剂床进而包含至少两个吸附剂或者均一组成的吸附混合物区域,其中这样的区域被一个转换区分开,该转换区含有相邻区中物质的逐级混合物。这些层状床区的界面不一定必须与吸附剂中的主分离区相一致。本发明还包括了一种可以向各个吸附区装填吸附剂物质的设备。
文档编号B01D53/04GK1344581SQ01133109
公开日2002年4月17日 申请日期2001年9月14日 优先权日2000年9月15日
发明者J·斯莫拉雷克, J·J·诺沃比尔斯基, M·W·阿克利, F·诺塔罗 申请人:普莱克斯技术有限公司