專利名稱：利用天然存在的沸石的吸附系統(tǒng)及方法
技術領域：
本發(fā)明涉及從含有一種或多種物質(zhì)的氣體中去除所述物質(zhì)的系統(tǒng) 和方法。尤其是，本發(fā)明涉及這樣的系統(tǒng)和方法，其利用吸附材料從 所述氣體中吸附一種或多種物質(zhì)。
背景技術：
在各種商業(yè)和工業(yè)裝置中，在氣體可以用于特定目的前，必須從 所述氣體中去除一種或多種物質(zhì)。例如，在壓縮空氣可以用于驅(qū)動動 力工具之前，必須從所述壓縮空氣中將任何的水分或水蒸汽去除，否 則所述工具將會銹蝕。同樣，被有毒或有害物質(zhì)污染的空氣在被吸入 之前，必須將所述物質(zhì)去除。
多種類型的裝置可以用來從氣體中去除一種或多種物質(zhì)。 一種尤 其有效類型的裝置為熟知的變壓吸附系統(tǒng)。這種系統(tǒng)引導氣體流動穿 過由吸附(或吸著)材料制成的床。吸附材料為一種吸附(即吸收或 吸附)特定物質(zhì)的材料。在吸附階段，在預定壓力下引導含有所述物 質(zhì)的氣體(即進入的氣體)穿過容納有所述吸附床的吸附室，隨后由 所述吸附材料吸附所述物質(zhì)。如美國專利No. 2,944,627 (該專利是4皮最廣泛認可的、與變壓吸附裝置相關的專利之一)所教導的，當所述 物質(zhì)被所述吸附材料吸附之后，吸附熱加熱吸附床且所述熱量被保存。 因為所述物質(zhì)由所述吸附材料所吸附，所以降低了排出的氣體所含有 所述物質(zhì)的水平，且優(yōu)選地所述排出的氣體不含有所述物質(zhì)。
為了延長這些吸附系統(tǒng)的使用壽命，提供了帶笫二吸附床的第二 吸附室。然后，將進入的氣體從所述第一吸附室再引導至第二吸附室， 在第二吸附室中由第二吸附室中的吸附材料吸附所述物質(zhì)。隨后，進 行第一吸附室中的吸附床再生，即清除或剝落先前已從氣體中吸附的 所述物質(zhì)。在所述再生階段，第一吸附室一般被減壓，且來自第二吸 附室的部分排出的氣體被引導返回穿過第一吸附室，以清除吸附床上
的所述物質(zhì)。如美國專利No.2，944，627所教導的，在吸附階段于第一 吸附室的吸附床中產(chǎn)生的吸附熱被充分徹底地用于在再生階段從吸附 床上除去被吸附的物質(zhì)。隨后通過排氣口將現(xiàn)在含有大量先前由吸附 床吸附的所述物質(zhì)的凈化用氣體排出。 一旦第 一吸附室中的吸附床完 全不含有所述物質(zhì)，則在第二吸附室再生的同時，可以對第一吸附室 再加壓且可以再引導排出的氣體穿過第 一吸附室。所迷變壓吸附系統(tǒng) 可以在一持續(xù)的時間段內(nèi)在第 一和第二吸附室的吸附階段和再生階段 之間持續(xù)進行循環(huán)。
盡管這些系統(tǒng)是有效的，但是它們具有某些不希望有的特性。例 如，必須引導返回穿過吸附室以進行吸附床再生的部分排出氣體量可 能是非常大的。例如，可能有約15%-67%的進入氣體被用作進行吸附 床再生的凈化用氣體。結果，極大地降低了可用于期望用途的排出氣 體的量。
在美國專利No. 5,213,593中嘗試了解決這些系統(tǒng)中存在的各種問 題。不過總是留有其它的改進空間。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明涉及通過吸附空氣和氣體中的水蒸汽和其它氣態(tài)污染物來 對所述空氣和氣體進行凈化的各種系統(tǒng)。尤其是，本發(fā)明提供了這樣一種系統(tǒng)，其為變壓吸附系統(tǒng)，所述變壓吸附系統(tǒng)具有至少一個吸附 床，所述至少一個吸附床具有至少兩種吸附材料，所述兩種材料以不 同層存在。在另一方面，本發(fā)明提供了這樣一種系統(tǒng)，其為變溫或變 熱吸附系統(tǒng)，所述變溫或變熱吸附系統(tǒng)具有至少一個吸附床，所述至 少一個吸附床具有至少兩種吸附材料，所述兩種材料以不同層存在。 對于這兩種系統(tǒng)，在室的出口端處的吸附材料優(yōu)選為天然存在的沸石， 諸如斜發(fā)沸石。出于類似的緣由，也可考慮其它材料。


圖1是表示各種吸附材料或吸著材料的水蒸汽吸附性能的圖表。
圖2是變壓整潔吸附床的示意圖。 圖3是變熱整潔吸附床的示意圖。
具體實施例方式
本發(fā)明涉及各種這樣的系統(tǒng)其利用包括不同吸附材料層的吸附 系統(tǒng)，通過吸附空氣和氣體中的水蒸汽和其它氣態(tài)污染物來進行所述 空氣和氣體的凈化。所述吸附材料中的至少 一種為天然存在的沸石， 諸如斜發(fā)沸石。
尤其是，本發(fā)明提供了這樣的變壓系統(tǒng)和變熱系統(tǒng)，其包括具有 至少兩種吸附材料的吸附床，所述兩種吸附材料以不同的層來呈現(xiàn)。 在某些實施方式中，在室的出口端處的吸附材料為天然存在的沸石， 諸如斜發(fā)沸石(其為針對分子污染物具有顯著吸附能力的結晶沸石中 間物)。其它可利用的天然存在的沸石包括菱沸石和銫綠柱石。出于 類似的緣由，也可以考慮其它材料。圖1示出了各種吸附材料或吸附 材料的水蒸汽吸附等溫線。盡管在該圖上并未具體指出，但是諸如斜 發(fā)沸石之類的沸石具有與該圖上的分子篩大體類似的平衡容量。
斜發(fā)沸石為在數(shù)百萬年前于火山湖中形成的天然沸石或分子篩材 料。斜發(fā)沸石為具有能吸附大量濕氣的微孔的結晶硅酸鋁。斜發(fā)沸石 與另一更熟知的沸石(即祖母綠)相類似，但是斜發(fā)沸石更便宜。斜發(fā)沸石是一種非常硬的材料(例如硬巖)，其在保持低磨損的同時具 有非常高的壓碎強度。由于斜發(fā)沸石的高壓碎強度且耐破裂、耐破碎
或在壓力下性能不易降低，因此斜發(fā)沸石有利地設置在填料床的底部
(或其它較低水平)。所述沸石(例如斜發(fā)沸石等)可以用作吸附床
中的吸附器。
斜發(fā)沸石具有高的單位體積熱容量，其要高于合成吸附材料，所 以斜發(fā)沸石可以在更小體積的填料床中吸收更多的熱。此外，以單位
體積為基準，斜發(fā)沸石從相對濕度為30% (和低于30%)水平下吸附 濕氣的性能要高于合成吸附材料。
由于吸附床的出口處的相對濕度低于入口處的相對濕度，所以通 過在吸附床的出口 (或者半個出口)處設置天然存在的沸石(例如斜 發(fā)沸石)，能增進從氣流中除去濕氣。以單位體積為基準，采用較少 的沸石(例如斜發(fā)沸石)就可除去所述濕氣。因此，可以采用體積更 小的床。
依據(jù)本發(fā)明，所述填料床系統(tǒng)包括至少兩個不同的吸附材料層。 使用天然沸石并結合其它吸附材料(諸如合成吸附材料)的優(yōu)點包括 流出物露點的降低和系統(tǒng)成本的全面降低。例如， 一些商業(yè)用吸附材 料可能是0.90美元/磅，而斜發(fā)沸石則非常便宜，通常約為0.05美元/ 磅。利用斜發(fā)沸石或其它天然的沸石代替任意量的昂貴吸附材料都將 降低床的整個成本。
引入天然存在的沸石所能帶來的另一成本降低是床(例如干燥塔、 干燥容器等)的整個成本降低。因為以單位體積為基準，斜發(fā)沸石和 其它天然沸石能比合成吸附材料去除更多的濕氣，所以可以縮減床(例 如干燥塔)的體積和/或長度。這可導致系統(tǒng)的流動速率增加，減少干 燥劑顆粒的粉化，這可使任何下游物理過濾器的壽命得以延長。
可以相信的是，在整個吸附床中低至10% (體積百分率)水平的 斜發(fā)沸石依然會提供改善的處理狀況。在許多實施方式中，斜發(fā)沸石 不超過床的約80%或90%。在一些實施方式中，斜發(fā)沸石所占的體積 為20%-60%，經(jīng)常約為30%-50%。變壓吸附系統(tǒng)和變熱吸附系統(tǒng)的整體結構和操作大體是已熟知 的，在此不再描述。然而，參照附圖，示出了兩個示范性系統(tǒng)，它們 采用具有至少兩種吸附材料的吸附床或室，其中一種所述吸附材料為 天然存在的沸石，諸如斜發(fā)滯石。
在圖2中，示出的系統(tǒng)10包括罐或容器12，其具有如圖所示取 向的頂端11和底端13。容器12具有處于所述頂端11和底端13之間 的用于容置一定量吸附材料的內(nèi)部空間15。在該實施方式中，系統(tǒng)10 包括第一吸附層14和第二吸附層16。
在系統(tǒng)10的一個構造中，底端13為內(nèi)部空間15的入口 ，而頂端 11為內(nèi)部空間15的出口。這種構造可稱為"變壓整潔床"，其具有沿 大體向上方向(即出口端設置于入口端的上方)的空氣流。應該清楚 的是， 一些變壓整潔床可具有沿相反方向的空氣流。
優(yōu)選地，在該構造中作為下游層的第一吸附層14包括天然存在的 沸石(例如斜發(fā)沸石)。在該構造中作為上游層的第二吸附層16是第 二吸附材料，氧化鋁(例如活性氧化鋁)是一種合適的吸附材料。
在所示出的該特定構造中，所述兩層的體積百分比大體相等(即， 各約為50%)。然而，在一些實施方式中，其中的一個層可以比另一 個層占據(jù)的體積多。
在圖3中，示出了另外可替換的系統(tǒng)20，其包括罐或容器22,其 具有如圖所示取向的頂端21和底端23。容器22具有處于所述頂端21 和底端23之間的用于容置一定量吸附材料的內(nèi)部空間25。在該實施 方式中，系統(tǒng)20包括第一吸附層24、第二吸附層26和第三層28。在 第一吸附層24和頂端21之間存在著未填充的空間(例如充滿空氣的 頂部)。
在系統(tǒng)20的一個構造中，頂端21為內(nèi)部空間25的入口，而底端 23為內(nèi)部空間25的出口。這種構造可稱為變溫或變熱整潔床，其具 有沿大體向下方向的空氣流，即入口端設置于出口端的上方。應該清 楚的是， 一些變溫或變熱整潔床可具有沿相反方向的空氣流。
在該特定的實施方式中，在該構造中作為下游層的第二吸附層26包括天然存在的沸石(例如斜發(fā)沸石)。在該構造中作為上游層的第
一吸附層24是第二吸附材料，諸如氧化鋁(例如活性氧化鋁)。在該 實施例中的第三層28是沸石支撐層，由顆粒尺寸比第二吸附層26中 的沸石顆粒尺寸更大的沸石材料形成。
第三層28為支撐介質(zhì)。在許多傳統(tǒng)除濕式干燥機中設置有底部封 頭或底層，所述底部封頭或底層填充有與用于吸附的干燥劑相同的干 燥劑。因為所述底部封頭或底層是最下游的層，所以這種材料決不會 遇到濕氣，因此這種材料是不必要的花費。斜發(fā)沸石由于其增加的壓 碎強度和低價位，已經(jīng)被發(fā)現(xiàn)是用于床支撐物的非常實用的介質(zhì)。同 時，斜發(fā)沸石也能吸附在向下流動的吸附系統(tǒng)中可能抵達層28的微量 水蒸汽和其它污染物。
在圖3示出的所述特定構造中，第一吸附層24和第二吸附層26 的體積百分比大體相等(即，各約為50%)。然而，當考慮第三層28 時，所述三層24、 26、 28之間的體積比約為40:40:20。
如上所述，所期望的是，在本發(fā)明的所述系統(tǒng)中存在至少兩個不 同的吸附層(例如系統(tǒng)10的層14和16、以及系統(tǒng)20的層24和26 )。 盡管使出口端處的層為天然沸石的結構是優(yōu)選的，但是各吸附層可以 是兩種或多種吸附材料的組合。對于這類系統(tǒng)，優(yōu)選地，天然沸石占 據(jù)吸附床的所述出口端處的層的至少約10%,更優(yōu)選地至少約為 20%，最優(yōu)選地至少約為30%。 具有至少50。/。體積天然沸石的實施 方式也是合適的。已發(fā)現(xiàn)，無論是對于變壓吸附床還是變溫吸附床， 通過在入口層(例如系統(tǒng)10的層16、和系統(tǒng)20的層24)采用氧化鋁 或硅膠、而在出口層(例如系統(tǒng)10的層14、和系統(tǒng)20的層26中) 采用斜發(fā)沸石， 一般可以獲得高的整體性能。
對于變壓床，諸如圖2所示的系統(tǒng)10，其也常被稱為變壓千燥器， 在出口端處的熱量保持性能是顯著的特點，在該區(qū)域設置天然沸石也 可額外地有益于濕氣吸附容量。
通常都知道，在變壓吸附系統(tǒng)中使用的吸附床的出口區(qū)域主要用 于保持吸附過程中釋放的吸附熱。需要這種熱，以在變壓系統(tǒng)的再生階段有效進行吸附床再生。與商業(yè)用的合成吸附材料相比，斜發(fā)沸石 和其它天然存在的沸石具有更高的熱量保持性能，并因此對變壓吸附 系統(tǒng)的吸附床的出口區(qū)域是有益的。
對于變溫或變熱床或干燥器，諸如圖3所示的系統(tǒng)20，出口端構 造成在局部低壓下吸附水蒸汽，因為所述水蒸汽和其它污染物優(yōu)先被 吸附在吸附床的入口區(qū)域。傳統(tǒng)上，在變熱干燥器的吸附床中通常使 用合成活性氧化鋁和硅膠，因為它們在高的局部壓力下具有高的性能。 然而，在局部低壓且相對濕度低于20%的情況下，斜發(fā)沸石和其它天 然沸石提供了改善的性能。
因為在不脫離本發(fā)明精神和范圍下可以對本發(fā)明做出許多實施方 式，所以本發(fā)明的范圍由所附的權利要求限定。
權利要求
1.一種吸附床，包括入口、出口以及位于所述入口和所述出口之間的內(nèi)部空間，所述內(nèi)部空間容置有包括第一吸附材料的第一吸附層和包括斜發(fā)沸石的第二吸附層。
2. 根據(jù)權利要求1所述的吸附床， 述第一吸附層的下游。
3. 根據(jù)權利要求2所述的吸附床， 述出口 。
4. 根據(jù)權利要求2所述的吸附床， 且所述出口位于所述入口的上方。
5. 根據(jù)權利要求2所述的吸附床， 且所述出口位于所述入口的下方。
6. 根據(jù)權利要求1所述的吸附床， 內(nèi)部空間的至少20%。
7. 根據(jù)權利要求6所述的吸附床， 過90%的所述內(nèi)部空間。
8. 根據(jù)權利要求7所述的吸附床， 內(nèi)部空間的約30-50%。
9. 根據(jù)權利要求1所述的吸附床， 少約30%的斜發(fā)沸石。
10. —種吸附床，包括入口、出口以及位于所述入口和所述出口 之間的內(nèi)部空間，所述內(nèi)部空間容置有包括第 一吸附材料的第 一吸附 層和基本由斜發(fā)沸石構成的第二吸附層。
11. 一種變壓或變熱系統(tǒng)，其使用如下的吸附床所述吸附床包括 在所述吸附床的出口處的斜發(fā)沸石和在所述吸附床的入口處的另 一種 不同的吸附材料。其中，所述第二吸附層位于所 其中，所述第二吸附層鄰近所 其中，所述吸附床為變壓床， 其中，所述吸附床為變熱床， 其中，所述斜發(fā)沸石占據(jù)所述 其中，所述斜發(fā)沸石占據(jù)不超 其中，所述斜發(fā)沸石占據(jù)所述 其中，所述第二吸附層包括至
全文摘要
一種吸附系統(tǒng)，其具有吸附床(15)，所述吸附床包括至少兩個不同的層(14，16)，所述至少兩個不同的層(14，16)具有兩種不同的吸附材料，所述吸附材料中的一種吸附材料為諸如斜發(fā)沸石之類的天然沸石。所述斜發(fā)沸石尤其適于設置在所述床(15)的出口端(13)處。
文檔編號B01D53/047GK101553300SQ200780028134
公開日2009年10月7日 申請日期2007年7月25日 優(yōu)先權日2006年7月26日
發(fā)明者B·G·麥吉爾, D·H·懷特, W·P·韋伯 申請人:唐納森公司