專利名稱：具有改進的高純度產(chǎn)物回收率的變壓吸附工藝的制作方法
背景技術(shù)：
變壓吸附是用于分離大量氣體混合物和純化含有低濃度的不希望組份的氣流的公知方法。為了更廣范圍的原料氣、操作條件、產(chǎn)物純度和產(chǎn)物回收率，已經(jīng)對這種方法進行了發(fā)展和修改。許多變壓吸附系統(tǒng)利用兩個或更多以循環(huán)順序運行的吸附劑床，以在所選擇的床經(jīng)歷包含吸附、降壓、排空、凈化、壓力均化、再增壓和別的相關(guān)步驟的不同步驟時維持不變的產(chǎn)物流速。人們要求采用了眾多工藝步驟的多吸附劑床以獲得對諸如氫、碳氧化物類、合成氣、輕質(zhì)烴和類似物的有價值氣體產(chǎn)物的高純度和/或回收率。為了包括便攜式醫(yī)學氧集中器的各種應(yīng)用，采用了這些工藝步驟的多吸附劑床也被用來從空氣中回收氧。
這些變壓吸附工藝中的許多部分地在低于大氣壓的壓力下運行，它們在本領(lǐng)域申被描述為諸如真空變壓吸附(VSA)或壓力-真空變壓吸附(PVSA)工藝。在本說明書中，不管運行壓力水平如何，變壓吸附(PSA)被用作描述所有類型的循環(huán)吸附系統(tǒng)的通用術(shù)語。
在變壓吸附工藝循環(huán)中，需要用于凈化和再增壓步驟的氣體由別的工藝步驟獲得的氣體供應(yīng)。再增壓可以通過利用最終產(chǎn)物氣、床間壓力均化獲得的中間氣、原料氣或它們的結(jié)合來實現(xiàn)?？梢酝ㄟ^來自別的床的中間減壓氣和/或通過最終產(chǎn)物氣來提供凈化。
原料再增壓被公開于有代表性的美國專利第4,406,675號和第5,540,758號中，以及歐洲專利公開第0354259號中。產(chǎn)物氣用于凈化和/或再增壓的使用存在于代表性的美國專利第5,328,503號、第5,411,578號、第5,429,666號和第5,656,067號中。美國專利第5,330,561號和第5,203,888號公開了采用了增壓原料氣或產(chǎn)物氣的床再增壓。
為了增加產(chǎn)物回收率，人們期望在變壓吸附工藝中最小化用來凈化和再增壓的產(chǎn)物氣的量。由于原料氣組成、產(chǎn)物純度要求以及產(chǎn)物回收率要求，在許多情況下這可能很困難。在大多數(shù)變壓吸附工藝中，例如，在產(chǎn)物純度和產(chǎn)物回收率之間有一個折衷，其中增加的產(chǎn)物純度是由產(chǎn)物回收率的降低來實現(xiàn)的。在本領(lǐng)域中有對允許在更高產(chǎn)物純度水平下增加的產(chǎn)物回收率的改進的工藝循環(huán)的需求，這種需求由下述的發(fā)明提出并定義于隨后的權(quán)利要求中。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的第一個實施方式包括在變壓吸附工藝中采用在循環(huán)工藝步驟下運行的多個平行吸附劑床(adsorbent bed)以從包含至少一種較弱可吸附組份(less strongly adsorbable component)和至少一種較強可吸附組份(morestrongly adsorbable component)的原料氣混合物中回收較弱可吸附組份的工藝步驟，其中每個吸附劑床有原料端(feed end)和產(chǎn)物端(product end)，其中每個床至少經(jīng)受原料/產(chǎn)物步驟(feed/product step)、一個或更多減壓步驟、其中富集了較弱可吸附組份的凈化氣被引入到床的產(chǎn)物端并且凈化排出氣(purge effluent gas)被從床的原料端抽出的凈化步驟、以及一個或更多再增壓步驟。工藝步驟包含在除第二吸附劑床中原料/產(chǎn)物步驟期間之外的任何時間，把至少一部分從第一吸附劑床抽出的凈化排出氣引入到第二吸附劑床的原料端。
另一個實施方式涉及用于從包含至少一種較弱可吸附組份和至少一種較強可吸附組份的原料氣混合物中回收較弱可吸附組份的變壓吸附工藝，其中工藝包括在許多個吸附劑床中實施循環(huán)工藝步驟，每個床有原料端、產(chǎn)物端和選擇性吸附較強可吸附組份的吸附材料(adsorbent material)，在循環(huán)工藝步驟中每個床依次運行，該循環(huán)工藝步驟包括原料/產(chǎn)物步驟、其中氣體在減壓時被從床中抽出的一個或更多減壓步驟、其中富集了較弱可吸附組份的凈化氣被引入到床的產(chǎn)物端并且凈化出氣被從床的原料端抽出的凈化步驟，以及其中氣體在增壓時被引入床中的一個或多個再增壓步驟。一個再增壓步驟包含在除第二吸附劑床中原料/產(chǎn)物步驟期間之外的任何時間，把至少一部分從第一個床的原料端抽出的凈化排出氣引入到第二個床的原料端。
一個可選實施方式包括用于分離包含至少一種較強可吸附組份和至少一種較弱可吸附組份的原料氣的變壓吸附工藝，該工藝包含步驟(1)把原料氣引入含有優(yōu)先吸附較強可吸附組份的吸附材料的第一吸附劑床的原料端，從第一吸附劑床的產(chǎn)物端抽出富集了較弱可吸附組份的產(chǎn)物氣；(2)持續(xù)把原料氣引入第一吸附劑床并從第一吸附劑床抽出產(chǎn)物氣，以及把一部分產(chǎn)物氣引入第二吸附劑床的產(chǎn)物端經(jīng)歷再增壓步驟；(3)停上把原料氣引入第一吸附劑床和從第一吸附劑床抽出產(chǎn)物氣，從它的產(chǎn)物端抽出減壓氣，以及把從它的產(chǎn)物端抽出的減壓氣引入第三吸附劑床的產(chǎn)物端經(jīng)歷再增壓步驟；
(4)抽出來自第一吸附劑床產(chǎn)物端的另外的減壓氣并把從那抽出的減壓氣引入第四吸附劑床的產(chǎn)物端經(jīng)歷凈化步驟；(5)排空來自第一吸附劑床原料端的氣體；(6)在持續(xù)從其原料端排空氣體時把凈化氣引入第一吸附劑床的產(chǎn)物端，以及把至少一部分從其原料端排空的氣體引入第四吸附劑床的產(chǎn)物端經(jīng)歷再增壓步驟；(7)把再增壓氣引入第一吸附劑床產(chǎn)物端，其中再增壓氣由從第三吸附劑床抽出經(jīng)歷了減壓步驟的減壓氣提供；(8)把另外的減壓氣引入第一吸附劑床產(chǎn)物端，其中另外的減壓氣由一部分從第四吸附劑床抽出經(jīng)歷了原料/產(chǎn)物步驟的產(chǎn)物氣提供，以及把凈化排出氣引入第一吸附劑床原料端，其中凈化排出氣由至少一部分從第二吸附劑床的原料端排空的經(jīng)歷了凈化步驟的氣體提供；以及(9)以循環(huán)方式重復(fù)步驟(1)至(8)。
本發(fā)明的一個相關(guān)實施方式包括用于分離包含至少一種較強可吸附組份和至少一種較弱可吸附組份的原料氣的變壓吸附系統(tǒng)，該系統(tǒng)包含(a)眾多吸附容器(adsorber vessel)，每個吸附容器有原料端、產(chǎn)物端以及含有至少一種適于選擇吸附較強可吸附組份的吸附劑的吸附材料床；(b)管線和閥，其適于把原料氣引入每個吸附容器的原料端并從每個吸附容器的產(chǎn)物端抽出富集了較弱可吸附組份的產(chǎn)物氣；以及(c)管線和閥，其適于把來自第一吸附容器產(chǎn)物端富集了較弱可吸附組份的減壓氣轉(zhuǎn)移到第二吸附容器產(chǎn)物端并在除第三吸附容器中原料/產(chǎn)物步驟期間之外的任何時間把來自第二吸附容器原料端的凈化排出氣轉(zhuǎn)移進第三吸附容器原料端。
本發(fā)明的另一個相關(guān)實施方式包括用于分離包含至少一種較強可吸附組份和至少一種較弱可吸附組份的原料氣的變壓吸附系統(tǒng)。該系統(tǒng)包含(a)四個吸附容器，每個吸附容器有原料端、產(chǎn)物端以及含有至少一種適于選擇吸附較強可吸附組份的吸附劑的吸附材料床以及(b)管線和閥，其適于(1)把原料氣引入第一吸附容器的原料端并從第一吸附容器的產(chǎn)物端抽出富集了較弱可吸附組份的產(chǎn)物氣；(2)把一部分富集了較弱可吸附組份的產(chǎn)物氣轉(zhuǎn)移進第二吸附容器的產(chǎn)物端；(3)從第一吸附容器的產(chǎn)物端抽出減壓氣并把抽出的減壓氣引入第三吸附容器的產(chǎn)物端；(4)從第一吸附容器的產(chǎn)物端抽出減壓氣并把抽出的減壓氣引入第四吸附容器的產(chǎn)物端；(5)利用真空泵或鼓風機(blower)從第一吸附容器的原料端抽出氣體并把抽出的氣體作為廢氣排放；(6)把凈化氣引入第一吸附容器的產(chǎn)物端，其中當從原料端排空第一吸附容器并把至少一部分排空的凈化排出氣引入第四吸附容器的原料端時，凈化氣由第二吸附容器提供；(7)通過把再增壓氣引入第一吸附容器的產(chǎn)物端增壓第一吸附容器，其中再增壓氣由第三吸附容器提供；以及(8)通過把從第四吸附容器獲得的產(chǎn)物氣引入第一吸附容器的產(chǎn)物端并把凈化排出氣引入第一吸附容器的原料端來增壓第一吸附容器，其中凈化排出氣獲自第二吸附容器。


圖1是本發(fā)明實施方式的PSA循環(huán)步驟期間氣流到達和離開吸附劑床的示意圖。
圖2是在圖1實施方式的PSA循環(huán)步驟中的兩個時間區(qū)間之中四個吸附劑床之間氣流關(guān)系的示意圖。
圖3是對于實施例1，2和3在任何給定床的入口端的壓力對比時間圖表。
具體實施例方式
本發(fā)明的實施方式利用變壓吸附工藝循環(huán)來分離氣混合物，其中至少一部分來自吸附劑床經(jīng)歷了凈化步驟的凈化排出氣被用來在除別的吸附劑床原料/產(chǎn)物步驟期間之外的任何時間再增壓另一個吸附劑床。例如，利用眾多按照改進的工藝循環(huán)運行的吸附室，該工藝可以用來增加空氣中高純度氧的回收率。
在當前公開中，術(shù)語產(chǎn)物氣意思是從吸附劑床抽出并被送到(有或沒有中間存儲)終端使用的有足夠產(chǎn)物純度的氣體。原料/產(chǎn)物步驟的定義為把原料氣引入床的原料端和從床的產(chǎn)物端抽出產(chǎn)物氣。雖然在這個步驟期間壓力可能增加，然而這個步驟不同于下面定義的再增壓步驟。減壓的定義為伴隨著降低床壓力氣體從吸附劑床的抽出?？梢酝ㄟ^從超大氣壓力(superatomos pheric pressure)直接向大氣排氣或把氣體轉(zhuǎn)移到處于更低壓力的另外的處理容器或封閉體積中來獲得減壓。也可以通過排空(evacuation)獲得減壓，它被定義為通過真空泵或鼓風機從床抽出氣體。排空可以在床壓的任何范圍進行，但是一般在負壓下，也就是真空下進行。再增壓被定義為在除原料/產(chǎn)物步驟其間之外的任何時間把氣體引入包含吸附劑床的容器，伴隨著增加床壓。
來自一個容器的減壓氣被用作另一個容器中的增壓氣的轉(zhuǎn)移在本領(lǐng)域通常被稱為壓力均化(pressureequalization)，但是兩個床中的壓力在這個步驟的末端不一定變的相同。
凈化(purge)被定義為當凈化排出氣從容器原料端抽出時凈化氣到容器產(chǎn)物端的引入。凈化可以在降低床壓時、增加床壓時、固定床壓時或它們的任意結(jié)合時進行。當有益產(chǎn)物是較弱可吸附組份時，在負大氣壓力(subatmosphericpressure)下凈化一般最有效。凈化氣(當被用于變壓吸附工藝來從包含至少一種較弱可吸附組份和至少一種較強可吸附組份的原料氣混合物中回收較弱可吸附組份時)被定義為任何富集了較弱可吸附組份的氣體。凈化排出氣中較強可吸附組份的濃度比在凈化氣中高。凈化增壓被定義為在除原料/產(chǎn)物步驟期間之外的任何時間把至少一部分來自吸附劑床的原料端經(jīng)歷了凈化步驟的凈化排出氣轉(zhuǎn)移到另一個床的原料端經(jīng)歷再增壓步驟。
應(yīng)用于變壓吸附工藝中的氣流的術(shù)語“富集”意思是氣流含有比在原料氣中該組份的濃度高的組份濃度?？障犊臻g氣被定義為吸收容器中包含于空隙或粒間體積的未吸附氣體，包含管線和容器死體積中未被吸收劑占用的氣體。大氣空氣是直接從環(huán)境大氣獲得的未壓縮空氣。
亨利選擇性定律描述了給定吸收劑對在包含兩種組份的氣體混合物中從第二組份分離出第一組份的選擇性。亨利選擇性定律被定義為在選定條件下第一組份吸附在吸附材料上的亨利定律常數(shù)與在同樣條件下第二組份吸附在同樣吸附材料上的亨利定律常數(shù)的比率。亨利定律常數(shù)被定義為描述作為氣體壓力函數(shù)的吸附的組份量的等溫線的起始斜率，優(yōu)選在2 3℃的參考溫度下。
術(shù)語“較強可吸附的”和“較弱可吸附的”，當被用來描述通過變壓或真空變壓吸附工藝來分離的氣體混合物中的組份時，描述了在吸附劑床中吸附材料上的氣體混合物中的細份的相對吸附性能。在平均的工藝溫度和壓力下，吸附材料對較強可吸附組份(作為純組份)的平衡吸附能力比對較弱可吸附組份(作為純組份)的平衡吸附能力強。
這里所用的非限定冠詞“一個”(“a”)和“一個”(“an”)當被用于記載于說明書和權(quán)利要求中的本發(fā)明實施方式中的任何特征時表示一個或更多。除非特別指出這種限定的情況下，“一個”(“a”)和“一個”(“an”)的使用并不限定其意思為單個特征。在單個名詞或多個名詞或名詞句前的限定冠詞“the”表示一個特別指定的特征或多個特別指定的特征并且可能具有一個或多個內(nèi)涵，這依賴于使用它的上下文。形容詞“任何”(“any”)表示一個、一些或不加選擇的任何量的全部。位于第一實體和第二實體之間的術(shù)語“和/或”表示(1)第一實體、(2)第二實體和(3)第一實體和第二實體這三者之一。
這里所用的通用術(shù)語“變壓吸附”(PSA)適于所有在最大和最小壓力之間運行的吸附分離系統(tǒng)。最大壓力典型地是超大氣壓的，最小壓力可以是超大氣壓的或負(低于)大氣壓的。當最小壓力是低于大氣壓并且最大壓力是超大氣壓時，系統(tǒng)一般被稱為壓力真空變壓吸附(PVSA)系統(tǒng)。當最大壓力處于或低于大氣壓并且最小壓力低于大氣壓時，系統(tǒng)一般被稱為真空變壓吸附(VSA)系統(tǒng)。
在所有實施方式中，原料氣包含至少一種較強可吸附組份和至少一種較弱可吸附組份，以及通過對較強可吸附組份的吸附而相對于原料氣產(chǎn)物氣富集了較弱可吸附組份。通過下述的減壓、排空和凈化步驟把較強可吸附組份從吸附劑上除去。原料氣可以低于、處于或高于大氣壓。
可以采用眾多以循環(huán)步驟運行的吸附劑床來實施本發(fā)明的實施方式并用其分離任何包含較強可吸附組份和較弱可吸附組份的氣體混合物。這些實施方式可以用于包括PVSA和VSA的任何PSA分離工藝中。因此用來再增壓的凈化排出氣的使用可以應(yīng)用于任何PSA、VSA或PVSA用于任何氣體混合物的分離。下述的特定實施方式特別適于從空氣中或別的帶有氬和/或氮的氧混合物中回收氧產(chǎn)物，這些實施方式可以提供純度在97體積％以上和可能在99體積％以上的氧氣產(chǎn)物。
本發(fā)明一個示范性實施方式采用了四個吸附劑床，通過表1的循環(huán)步驟和表2的圖表對其進行了闡釋。對于第一床下面的表1給出了每個循環(huán)步驟的說明，其中第一至第四床相應(yīng)于表2的床1至4。
表1循環(huán)步驟說明

表2循環(huán)圖表

在步驟4和/或步驟4之后步驟5之前的至少一部分期間可以采用一個可選排放步驟(blowdown step)，其中廢氣被從床的原料端直接排放到大氣中直到床達到接近大氣壓，在這一點排空步驟5開始。
圖1顯示了床1的示意流量圖來闡釋該床經(jīng)歷了順序的重復(fù)步驟1至8。在如圖2所示的交錯的時間周期(time period)期間，床2，3和4經(jīng)歷同樣的步驟順序。圖2闡釋了在時間周期T1和T2期間床1，2，3和4之間的氣流關(guān)系。在時間周期T3至T8期間，四個床之間類似的氣流關(guān)系順序發(fā)生。采用適當?shù)膲毫?真空變壓吸附系統(tǒng)可以實施這個工藝循環(huán)，該系統(tǒng)包含原料壓縮機或鼓風機、真空泵或鼓風機、吸附劑、四個吸附容器、管線和流動控制系統(tǒng)。這種PVSA系統(tǒng)在吸附氣體分離領(lǐng)域中是眾所周知的。如果可以獲得適當壓力下的原料氣，那么就不需要原料壓縮機或鼓風機?？梢酝ㄟ^本領(lǐng)域公知的任何適當?shù)拈y和多頭管系來控制原料氣、產(chǎn)物氣和床間氣流。例如，系統(tǒng)可以利用多個控制器操縱的球閥來影響適當?shù)难h(huán)步驟。可選的，一個或更多旋轉(zhuǎn)閥可以用于這個目的。例如，這里可使用的示范性的旋轉(zhuǎn)閥例子描述于2005年8月5日提出的美國專利申請系列第10/197,859號中，通過參考將該申請結(jié)合于此。
雖然上面的實施方式闡釋了采用四個床的PVSA循環(huán)，然而包含使用來自一個床的凈化排出氣來再增壓別的床的特征的別的循環(huán)也是可行的。例如，在有適當?shù)难h(huán)步驟下可以使用兩或三個床，但是可能需要一個或更多氣體存儲罐。如果期望另外的壓力均化步驟，那么可以使用超過四個床。
上述工藝特別適于從空氣或帶有氬和/或氮的別的氧混合物中回收高純氧(即包含超過97體積％氧)，其中凈化排再增壓步驟容許至少10％的氧回收。另外，使用凈化排出氣來再增壓床減少了用來再增壓的產(chǎn)物氣的量。由于產(chǎn)物氣處于比凈化排出氣高的壓力，凈化排出再增壓的采用節(jié)約了壓縮能并降低了整個工藝的能量需求。同樣，上述工藝容許使用與PVSA系統(tǒng)中一般使用的吸附劑相比具有較低的氧亨利定律選擇的吸附劑來從空氣或別的含氧氣體中回收氧。本發(fā)明各個實施方式使用的吸附劑對于較強可吸附組份相對較弱可吸附組份來說可以具有低于大約2.0，可能低于大約1.5的亨利定律選擇性。在分離空氣獲得高純度氧產(chǎn)物中，較強可吸附組份是氬，較弱可吸附組份是氧。
上述工藝可以使用任何選擇性吸附氮和/或氬的吸附劑或吸附劑的復(fù)合來從空氣或別的帶有氬和/或氮的氧混合物中回收氧。用于本工藝來從這些氣體混合物的任何一個中回收氧的示范性吸附劑床可以包含包括活性氧化鋁、NaX、NaKLSX(低二氧化硅X)或其結(jié)合的吸附劑的組合作為除去水、二氧化碳和別的雜質(zhì)的預(yù)處理區(qū)，接著是非必需的LiX或LiLSX沸石的層，然后是AgLiLSX沸石的層?？梢杂糜诒竟に嚨氖痉缎缘腁gLiLSX沸石層被公開于美國專利第6，432，170號中，通過參考將其結(jié)合于此。
在用于從空氣中回收高純度氧的本實施方式進展期間，我們意識到在凈化步驟的后半段期間凈化排出氣中的氧濃度比在環(huán)境空氣中高。由于真空泵可以在任何期望的排放壓力運行，如上所述的那樣排放放的凈化排出氣可以用來再增壓。至少一部分凈化排出氣被用來在除該床的原料/產(chǎn)物步驟之外的任何時間來再增壓吸附劑床，如果希望的話，所有凈化排出氣可以用來再增壓。
在一個典型的用來從空氣中回收氧的PVSA工藝中，凈化與原料比(P/F)被維持在或接近選定的設(shè)計值，該值依賴于包括氧純度的不同的操作參數(shù)。凈化與原料比(P/F)被定義為在一個循環(huán)期間從床的原料端抽出的實際氣體體積與在該循環(huán)期間被引入到床的原料端的實際氣體積之比。實際體積被定義為利用摩爾流速、溫度和壓力的即時值對特定步驟的全過程積分的值?？梢詤⒖紙D1把(P/F)比解釋為在步驟5和6期間從床1的原料端抽出的實際氣體體積之和與在步驟1，2和8期間被引入床1的原料端的實際氣體體積之和的比。
從空氣中回收氧中的凈化與原料比通常大于大約1.5并且對于高于97體積％得氧產(chǎn)物純度可能大于大約2.5。所需的P/F比隨產(chǎn)物純度增加而增加。僅僅通過排出排空流或通過排排空流和凈化排出流的第一部分(其可能具有低氧濃度)，可以維持期望的P/F比。然后凈化排出流的剩余部分可以用來再增壓。除了在原料/產(chǎn)物步驟把原料氣引入床中期間之外，使用全部或一部分凈化排出流用于再增壓有助于把比原料氣氧濃度高的氣流再循環(huán)入床中。通過使用凈化排出再增壓一定程度上抵消了對于具有低選擇性吸附劑為了高純度產(chǎn)物采用高P/F比對氧產(chǎn)物回收率的消極影響。
在表1和2的循環(huán)中，通過同時把凈化排出氣引入床的原料端和把產(chǎn)物氣引入床的產(chǎn)物端來實施再增壓步驟8?？蛇x的，產(chǎn)物端再增壓的實施完全可以在凈化氣再增壓之前或之后，或者如期望的那樣產(chǎn)物端再增壓的周期可以與凈化氣再增壓的周期重疊。
下面的實施例闡釋了本發(fā)明的實施方式，但是并沒有把本發(fā)明限定于其中描述的任何具體的細節(jié)。
實施例1用SIMPAC模擬了VPSA工藝，SIMPAC是一種細致的吸附工藝模擬裝置。SIMPAC考慮了多組份吸附等溫線、各種物質(zhì)轉(zhuǎn)移模型、多個吸附層以及總的工藝流程圖。SIMPAC的更多詳情討論于Kumar等人的化學工程科學(ChemicalEngineering Science)，49卷，18期，3115-3125頁。該實施例中的循環(huán)類似于表1和2中描述的循環(huán)，但是沒有凈化再增壓，也就是說，步驟6期間從床排空的所有凈化氣流出被排改而不是用來再增壓另一個床。用等價實際體積的原料氣代替步驟8中的凈化再增壓流以在床入口端維持類似的壓力經(jīng)歷。每個循環(huán)步驟具有1.75秒的持續(xù)時間，總循環(huán)時間為14秒。四個吸附劑床的每一個具有42.7毫米的直徑，其包含位于惰性材料的原料端代表用來除去水和二氧化碳的吸附劑的厚度為43毫米的第一層、厚度為25毫米的LiLSX第二層以及厚度為145毫米的40％Ag-交換的LiLSX第三層。采用2.57大氣壓的最大空氣原料壓力和5.05的原料端壓力比(最大原料壓比最小排空壓)，系統(tǒng)在31℃的原料溫度下運行，獲得1.28標準升/分(Slpm)的純度為99.0摩爾％的氧。凈化與原料比(上面定義的)為3.33，氧氣產(chǎn)物回收率是20.85％。
實施例1中每個給定床入口端的壓力經(jīng)歷列于圖3中。
實施例2重復(fù)實施例1對表1和2描述的循環(huán)的模擬，其中包括步驟8的凈化再增壓而不是原料再增壓。凈化與原料比類似，為3.30。氧回收率增加到23.43％。
實施例2中每個給定床入口端的壓力分布圖列于圖3中。
實施例3按照表1和2中描述的循環(huán)運行四床中試VPSA裝置以獲得循環(huán)的試樣結(jié)果數(shù)據(jù)。每個循不步驟具有1.75秒的持續(xù)時間。中試裝置由以環(huán)形模式排列的6個柱體組成，每個柱體的原料和產(chǎn)物端帶有電磁閥排。閥與柱體環(huán)內(nèi)的金屬圓筒連接。通道相交于圓筒內(nèi)以確保所有柱體間相等的流動路徑。該元件是完全儀表的以保證物質(zhì)平衡閉合并提供溫度、壓力和各種流的流速?？勺兂绦蜻壿嬁刂破鞑僮餮h(huán)并記錄數(shù)據(jù)。每個床包含于具有42.7毫米內(nèi)徑的柱體中。四個吸附劑層設(shè)置于每個柱體中，包括位于原料端包含厚度為26毫米的20×28目Alcan活性性氧化鋁的第一層、包含厚度為17.0毫米平均粒徑為0.6毫米的NaX沸石的第二層，包含具有25毫米的厚度和0.4毫米的平均粒徑的低鋰硅石X沸石的第三層以及包含厚度為145.0毫米的AgLiLSX(平均粒徑為0.4毫米的40％銀離子交換的鋰低低硅石X沸石)的第四層。
采用37磅/平方英寸(絕對壓力)大氣壓的最大空氣原料壓力和5.5的原料端壓力比(最大原料壓比最小排空壓)，中試裝置在接近31℃的原料著床溫度下運行，獲得0.70標準升/分(S1pm)的純度為98.9摩爾％的氧。氧產(chǎn)物回收率是15.5％。
實施例3中每個給定床入口端的壓力分布圖列于圖3中。
權(quán)利要求
1.一種變壓吸附工藝中的工藝步驟，其采用以循環(huán)工藝步驟運行的多個平行吸附劑床以從包含至少一種較弱可吸附組份和至少一種較強可吸附組份的原料氣混合物中回收較弱可吸附組份，其中每個吸附劑床有原料端和產(chǎn)物端，其中每個床至少經(jīng)受原料/產(chǎn)物步驟、一個或更多減壓步驟、其中富集了較弱可吸附組份的凈化氣被引入到床的產(chǎn)物端并且凈化排出氣被從床的原料端抽出的凈化步驟，以及一個或更多再增壓步驟，其中所述工藝步驟包含在除第二吸附劑床中原料/產(chǎn)物步驟期間之外的任何時間，把至少一部分來自第一吸附劑床的凈化排出氣引入到第二吸附劑床的原料端。
2.權(quán)利要求1的工藝，其中凈化氣由從第三吸附劑床的產(chǎn)物端抽出的再增壓氣提供。
3.權(quán)利要求1的工藝，其中通過泵從第一吸附劑床的原料端抽出凈化排出氣并且至少一部分泵排放被引入到第二吸附劑床的原料端。
4.權(quán)利要求3的工藝，其中在至少一部分工藝步驟期間，第二吸附劑床中的壓力比第一吸附劑床中的壓力大。
5.權(quán)利要求4的工藝，其中在至少一部分工藝步驟期間，第一吸附劑床中的壓力低于大氣壓。
6.權(quán)利要求1的工藝，其中每個吸附劑床包含具有低于大約2.0的亨利定律選擇性的吸附劑，其中所述亨利定律選擇性是對于所述較強可吸附組份相對所述較弱可吸附組份來說的。
7.權(quán)利要求6的工藝，其中所述較強可吸附組份相對較弱可吸附組份的亨利定律選擇性低于大約1.5。
8.一種變壓吸附工藝，用于從包含至少一種較弱可吸附組份和至少一種較強可吸附組份的原料氣混合物中回收較弱可吸附組份，其中該工藝包含在多個吸附劑床中實施循環(huán)工藝步驟，每個床有原料端、產(chǎn)物端和選擇性吸附所述較強可吸附組份的吸附材料，在循環(huán)工藝步驟中每個床依次運行，該循環(huán)工藝步驟包括原料/產(chǎn)物步驟、其中氣體在減壓時被從床中抽出的一個或更多減壓步驟、其中富集了較弱可吸附組份的凈化氣被引入到床的產(chǎn)物端并且凈化排出氣被從床的原料端抽出的凈化步驟，以及其中氣體在增壓時被引入床中的一個或多個再增壓步驟，其中一個再增壓步驟包含在除第二吸附劑床中原料/產(chǎn)物步驟期間之外的任何時間，把至少一部分從第一個床的原料端抽出的凈化排出氣引入到第二個床的原料端。
9.權(quán)利要求8的工藝，其中通過從第三吸附劑床的產(chǎn)物端抽出的減壓氣，凈化氣被提供給第一床的產(chǎn)物端。
10.權(quán)利要求8的工藝，其中通過泵從第一吸附劑床的原料端抽出凈化排出氣并且至少一部分泵排放被引入到第二吸附劑床的原料端。
11.權(quán)利要求10的工藝，其中在至少一部分工藝步驟期間，第二吸附劑床中的壓力比第一吸附劑床中的壓力大。
12.權(quán)利要求11的工藝，其中在至少一部分工藝步驟期間，第一吸附劑床中的壓力低于大氣壓。
13.權(quán)利要求8的工藝，其中吸附材料包含對于較強可吸附組份相對較弱可吸附組份來說具有低于大約2.0的亨利定律選擇性的吸附劑。
14.權(quán)利要求13的工藝，其中所述較強可吸附組份相對較弱可吸附組份的亨利定律選擇性低于大約1.5。
15.一種變壓吸附工藝，用于分離包含至少一種較強可吸附組份和至少一種較弱可吸附組份的原料氣，該工藝包含步驟(1)把原料氣引入含有優(yōu)先吸附較強可吸附組份的吸附材料的第一吸附劑床的原料端，從第一吸附劑床的產(chǎn)物端抽出富集了較弱可吸附組份的產(chǎn)物氣；(2)持續(xù)把原料氣引入第一吸附劑床并從第一吸附劑床抽出產(chǎn)物氣，以及把一部分產(chǎn)物氣引入第二吸附劑床的產(chǎn)物端經(jīng)歷再增壓步驟；(3)停止把原料氣引入第一吸附劑床和從第一吸附劑床抽出產(chǎn)物氣，從它的產(chǎn)物端抽出減壓氣，以及把從它的產(chǎn)物端抽出的減壓氣引入第三吸附劑床的產(chǎn)物端經(jīng)歷再增壓步驟；(4)抽出來自第一吸附劑床產(chǎn)物端的另外的減壓氣并把從那抽出的減壓氣引入第四吸附劑床的產(chǎn)物端經(jīng)歷凈化步驟；(5)排空來自第一吸附劑床原料端的氣體；(6)在持續(xù)從其原料端排空氣體時把凈化氣引入第一吸附劑床產(chǎn)物端，以及把至少一部分從其原料端排空的氣體引入第四吸附劑床的產(chǎn)物端經(jīng)歷再增壓步驟；(7)把再增壓氣引入第一吸附劑床的產(chǎn)物端，其中再增壓氣由從第三吸附劑床抽出經(jīng)歷了減壓步驟的減壓氣提供；(8)把另外的減壓氣引入第一吸附劑床產(chǎn)物端，其中另外的減壓氣由一部分從第四吸附劑床抽出經(jīng)歷了原料/產(chǎn)物步驟的產(chǎn)物氣提供，以及把凈化排出氣引入第一吸附劑床原料端，其中凈化排出氣由至少一部分從第二吸附劑床原料端排空的經(jīng)歷了凈化步驟的氣體提供；以及(9)以循環(huán)方式重復(fù)步驟(1)至(8)。
16.權(quán)利要求15的工藝，其中原料氣包含氧、氮和氬。
17.權(quán)利要求16的工藝，其中原料氣是空氣并且產(chǎn)物氣包含至少97摩爾％的氧。
18.權(quán)利要求16的工藝，其中原料氣是空氣并且產(chǎn)物氣包含至少99摩爾％的氧。
19.權(quán)利要求16的工藝，其中原料氣中至少10％的氧被回收于產(chǎn)物氣中。
20.權(quán)利要求16的工藝，其中吸附材料包含一種或更多選自由銀交換絲光沸石、銀交換X沸石、銀交換低硅X沸石以及部分銀交換鋰低硅X沸石組成的組的吸附劑。
21.權(quán)利要求16的工藝，其中吸附材料包含對于氬相對氧來說具有低于大約2.0的亨利定律選擇性的吸附劑。
22.權(quán)利要求16的工藝，其中氬相對氧的亨利定律選擇性低于大約1.5。
23.一種變壓吸附系統(tǒng)，用于分離包含至少一種較強可吸附組份和至少一種較弱可吸附組份的原料氣，包含(a)多個吸附容器，每個吸附容器有原料端、產(chǎn)物端以及含有至少一種適于選擇吸附較強可吸附組份的吸附劑的吸附材料床；(b)管線和閥，其適于把原料氣引入每個吸附容器的原料端并從每個吸附容器的產(chǎn)物端抽出富集了較弱可吸附組份的產(chǎn)物氣；以及(c)管線和閥，其適于把來自第一吸附容器產(chǎn)物端富集了較弱可吸附組份的減壓氣轉(zhuǎn)移到第二吸附容器產(chǎn)物端并在除第三吸附容器中原料/產(chǎn)物步驟期間之外的任何時間把來自第二吸附容器原料端的凈化排出氣轉(zhuǎn)移進第三吸附容器原料端。
24.權(quán)利要求23的變壓吸附系統(tǒng)，包含管線和閥，其適于把一部分富集了較弱可吸附組份的產(chǎn)物氣轉(zhuǎn)移進第三吸附容器的產(chǎn)物端。
25.權(quán)利要求23的變壓吸附系統(tǒng)，包含泵，其適于把來自第二吸附容器原料端的凈化排出氣轉(zhuǎn)移進第三吸附容器原料端。
26.一種變壓吸附系統(tǒng)，用于分離包含至少一種較強可吸附組份和至少一種較弱可吸附組份的原料氣，包含(a)四個吸附容器，每個吸附容器具有原料端、產(chǎn)物端以及含有至少一種適于選擇吸附較強可吸附組份的吸附劑的吸附材料床以及(b)管線和閥，其適于(1)把原料氣引入第一吸附容器的原料端并從第一吸附容器的產(chǎn)物端抽出富集了較弱可吸附組份的產(chǎn)物氣；(2)把一部分富集了較弱可吸附組份的產(chǎn)物氣轉(zhuǎn)移進第二吸附容器的產(chǎn)物端；(3)從第一吸附容器的產(chǎn)物端抽出減壓氣并把抽出的減壓氣引入第三吸附容器的產(chǎn)物端；(4)從第一吸附容器的產(chǎn)物端抽出減壓氣并把抽出的減壓氣引入第四吸附容器的產(chǎn)物端；(5)利用真空泵或鼓風機從第一吸附容器的原料端抽出氣體并把抽出的氣體作為廢氣排放；(6)把凈化氣引入第一吸附容器的產(chǎn)物端，其中當從原料端排空第一吸附容器并把至少一部分排空的凈化排出氣引入第四吸附容器的原料端時，凈化氣由第二吸附容器提供；(7)通過把再增壓氣引入第一吸附容器的產(chǎn)物端增壓第一吸附容器，其中再增壓氣由第三吸附容器提供；以及(8)通過把從第四吸附容器獲得的產(chǎn)物氣引入第一吸附容器的產(chǎn)物端并把凈化排出氣引入第一吸附容器的原料端來增壓第一吸附容器，其中凈化排出氣獲自第二吸附容器。
27.權(quán)利要求26的變壓吸附系統(tǒng)，包含泵，其適于把來自第一吸附容器原料端的凈化排出氣轉(zhuǎn)移進第四吸附容器原料端。
28.權(quán)利要求27的變壓吸附系統(tǒng)，其中吸附劑適于從空氣中選擇性吸附氮和氬，且具有對于氬相對氧來說低于大約2.0的亨利定律選擇性。
29.權(quán)利要求27的變壓吸附系統(tǒng)，其中吸附材料包含一種或更多選自由銀交換絲光沸石、銀交換X沸石、銀交換低硅X沸石以及部分銀交換鋰代硅X沸石組成的組的吸附劑。
全文摘要
變壓吸附工藝中的工藝步驟，其采用以循環(huán)工藝步驟運行的多個平行吸附劑床以從包含至少一種較弱可吸附組份和至少一種較強可吸附組份的原料氣混合物中回收較弱可吸附組份，其中每個吸附劑床有原料端和產(chǎn)物端，其中每個床至少經(jīng)受原料/產(chǎn)物步驟、一個或更多減壓步驟、其中富集了較弱可吸附組份的凈化氣被引入到床的產(chǎn)物端并且凈化排出氣被從床的原料端抽出的凈化步驟，以及一個或更多再增壓步驟。工藝步驟包含在除第二吸附劑床中原料/產(chǎn)物步驟期間之外的任何時間，把至少一部分來自第一吸附劑床的凈化排出氣引入到第二吸附劑床的原料端。
文檔編號B01D53/053GK101088591SQ20071011033
公開日2007年12月19日 申請日期2007年6月13日 優(yōu)先權(quán)日2006年6月13日
發(fā)明者R·D·懷特利 申請人:氣體產(chǎn)品與化學公司