專利名稱：Psa預(yù)純化器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明一般地涉及變壓吸附(PSA)空氣分離方法和系統(tǒng)。具體地，涉及PSA空氣預(yù)純化。
深冷空氣分離設(shè)備的操作需要大量預(yù)處理過(guò)的空氣。為防止設(shè)備的冷進(jìn)料端凍結(jié)，雜質(zhì)如CO2和H2O的濃度必須低于1ppm。此外，在深冷液體中溶解度低的那些烴如乙炔和某些C3-C8烴的濃度必須保持非常低，典型地低于1ppb，以消除任何安全性危險(xiǎn)。目前在空氣預(yù)純化應(yīng)用中使用變溫吸附(TSA)和變壓吸附(PSA)。
TSA預(yù)純化器使用相當(dāng)少量的熱吹掃氣再生吸附床。典型的吹掃氣與進(jìn)料之比≤10％。它們?cè)趶目諝膺M(jìn)料中除去主要雜質(zhì)如CO2、H2O和大多數(shù)烴方面極有效。進(jìn)料中所含任何CO和H2一般被帶入產(chǎn)品中。如果必須除去CO和H2，則通過(guò)催化轉(zhuǎn)化相繼進(jìn)行CO和H2的氧化。由于在解吸期間在TSA預(yù)純化器中可獲得大量熱驅(qū)動(dòng)力，所以使用強(qiáng)吸附劑如5A或13X沸石。使用這些吸附劑，操作負(fù)載和主要雜質(zhì)的選擇性使CO2在乙炔和對(duì)深冷空氣分離設(shè)備的操作有害的其它烴(如C3至C8)之前穿透至產(chǎn)品物流中。
為增加這些吸附劑的能力，通常使進(jìn)料氣冷卻。雖然TSA方法有相對(duì)低的吹掃氣與進(jìn)料之比，但必須加熱吹掃氣和冷卻進(jìn)料，均導(dǎo)致設(shè)備的投資和操作成本增加。
PSA預(yù)純化器用環(huán)境溫度的吹掃氣再生吸附床。典型的吹掃氣與進(jìn)料之比為40-60％。由于在解吸期間的驅(qū)動(dòng)力較低，所以使用較弱的吸附劑如活性氧化鋁。
雖然這些吸附劑的操作負(fù)荷比沸石的低，但它們?nèi)允呛芨叩摹４送?，我們發(fā)現(xiàn)使用活性氧化鋁時(shí)，C2H2在CO2之前穿透至產(chǎn)品物流中。這導(dǎo)致用該預(yù)純化器的產(chǎn)品作為進(jìn)料的深冷空氣分離工藝的操作條件很危險(xiǎn)。此外，雖然PSA預(yù)純化器的投資成本低于TSA，但總的能量需求可能較高。特別地，PSA循環(huán)在吸附床減壓期間泄料需要耗能。這與TSA循環(huán)相比是很顯著的，因?yàn)門SA法每3至6小時(shí)循環(huán)一次，相反PSA法每15-30分鐘循環(huán)一次。
基于以上考慮，該領(lǐng)域需要設(shè)計(jì)一種PSA吸附劑床，其有利于活性氧化鋁解吸的特性，還有與吸附較強(qiáng)的沸石相伴的乙炔選擇性和負(fù)荷。此外，需要使泄料損失最小以降低操作功率。已提出幾種可選方案。
Hitachi在DE3045451中公開了一種兩床吸附劑系統(tǒng)。第一吸附劑是用于吸附高濃度H2O和CO2的13X，從而抑制氮?dú)獾墓参?。第二吸附劑是不很?qiáng)地共吸附氮?dú)獾幕钚匝趸X，用于完成H2O和CO2的吸附。通過(guò)使床中的氮?dú)夤参阶钌伲彩箿p壓期間的泄料損失最小。
Kumar在US4711645中描述了一種PSA預(yù)純化器，用活性氧化鋁吸附H2O和用13X吸附CO2。用活性氧化鋁吸附H2O導(dǎo)致進(jìn)料中的溫升比整個(gè)床均使用13X的低。這增加了13X區(qū)吸附CO2的效能。Kumar建議用于第二區(qū)的其它沸石是5A、CaA、CaX和Na-絲光沸石。
Jain在US5232474中也使用活性氧化鋁層，然后是13X層。其權(quán)利要求書中用活性氧化鋁層吸附所有的H2O和大部分CO2。下游13X層的用途是從氣流中除去烴和殘余的CO2。特別地教導(dǎo)該13X層不用于除去大量CO2。該P(yáng)SA循環(huán)設(shè)計(jì)用含有較小直徑吸附劑球的吸附床操作且沒有常規(guī)的均壓步驟。
鑒于以上情況，本發(fā)明的目的之一是提供一種改進(jìn)的預(yù)純化方法和系統(tǒng)。
本發(fā)明的另一目的是提供一種適應(yīng)性強(qiáng)的PSA預(yù)純化方法和系統(tǒng)，與現(xiàn)有的系統(tǒng)相比可更有效地除去雜質(zhì)。
本發(fā)明的另一目的是提供一種比現(xiàn)有系統(tǒng)需要的能量少的PSA預(yù)純化方法和系統(tǒng)。
本發(fā)明的另一目的是提供一種可安全地在本文所述條件下操作的PSA預(yù)純化方法和系統(tǒng)。
本發(fā)明包括一種用于除去進(jìn)料氣流中存在的水和其它雜質(zhì)的PSA氣體預(yù)純化器。本發(fā)明的預(yù)純化器有一吸附材料床，包括至少兩種不同的吸附劑層，對(duì)于所述水和其它雜質(zhì)的吸附而言，至少一種所述吸附劑相對(duì)較強(qiáng)，至少另一種所述吸附劑相對(duì)較弱。
在優(yōu)選的實(shí)施方案中，相對(duì)較強(qiáng)的吸附劑是NaY，相對(duì)較弱的吸附劑是活性氧化鋁。
由以下優(yōu)選實(shí)施方案的描述和附圖，本領(lǐng)域技術(shù)人員將想到其它目的、特征和優(yōu)點(diǎn)，其中


圖1是本發(fā)明實(shí)施方案的示意圖。
本文所述PSA預(yù)純化器的吸附劑床提供增強(qiáng)的性能(例如吸附步驟的時(shí)間較長(zhǎng)和泄料損失較小)，導(dǎo)致更有效地除去雜質(zhì)。此外，由于本發(fā)明的系統(tǒng)和方法中CO2在C2H2之前穿透吸附床進(jìn)入產(chǎn)品物流中，因此提供更安全的操作條件。最后，我們的試驗(yàn)表明該方法可適用于寬范圍的操作條件(包括吸附壓力和進(jìn)料溫度)。本發(fā)明可以下面所述的方式進(jìn)行。
本發(fā)明的要素是使用兩種分開的有不同性能的吸附劑層，從而獲得比所述兩種吸附劑之任一分別實(shí)現(xiàn)的分離更好和成本更低的性能?；谳^強(qiáng)吸附劑的該方法熱效應(yīng)被緩和，從而改善該吸附劑的吸附和解吸性能，使該循環(huán)自清洗所需吹掃氣量減少。我們應(yīng)注意術(shù)語(yǔ)“自清洗”在本領(lǐng)域一般理解為意指循環(huán)期間吸附質(zhì)被充分吹掃以致它們的平均殘余負(fù)荷如滯留在吸附劑上的吸附質(zhì)量不隨時(shí)間增加的狀況。
一般認(rèn)為NaY與吸附劑如13X、5A、CaA、CaX和Na-絲光沸石相比是弱吸附劑。例如，其對(duì)N2、O2和CO2的吸附能力是13X的一半。這意味著NaY將比這些較強(qiáng)吸附劑的泄料損失低，需要較少的吹掃。
然而，與活性氧化鋁相比，NaY是強(qiáng)吸附劑。我們的等溫穿透試驗(yàn)表明NaY對(duì)乙炔的平衡能力為活性氧化鋁的約10倍。此外，在PSA預(yù)純化器的進(jìn)料中的濃度下NaY將優(yōu)先吸附乙炔優(yōu)于CO2。這些濃度典型地低于1ppm。
可惜，這些試驗(yàn)也表明為使乙炔有效解吸NaY比活性氧化鋁需要更多的吹掃氣。在泄料(blowdown)期間發(fā)生溫度變化的絕熱床中增加的吹掃需求甚至更大。
基于上述特性，本發(fā)明包括在床內(nèi)不同層或區(qū)中使用相對(duì)較強(qiáng)的吸附劑(優(yōu)選NaY)和相對(duì)較弱的吸附劑(優(yōu)選活性氧化鋁顆粒)。在優(yōu)選實(shí)施方案中，所述較強(qiáng)的吸附劑位于床的較熱產(chǎn)品端。這通過(guò)減少進(jìn)料步驟期間氮?dú)獾墓参胶徒档徒馕璐祾邭饬烤徍蚉SA方法的熱效應(yīng)。此外，在含有20％NaY的層中，該層狀床的穿透能力將大于純活性氧化鋁層的兩倍。所有這些特征都對(duì)PSA預(yù)純化循環(huán)的操作成本有有益影響。
此外，相對(duì)較強(qiáng)的吸附劑對(duì)所述乙炔或C3-C8烴至少之一而言是自清洗的，比13X所需吹掃氣少。
上述實(shí)施方案示于圖1中。在該圖所示的床中，活性氧化鋁層用于除去進(jìn)料氣流中的大部分H2O和CO2，較小的NaY層用于除去進(jìn)料中殘余的雜質(zhì)。流體流動(dòng)方向由箭頭指示。
圖1示出本發(fā)明的PSA預(yù)純化器的吸附劑床。在圖1中，下端板(header)填充惰性陶瓷球7，起流動(dòng)分布和床支承的作用。不銹鋼篩網(wǎng)8支承吸附劑床。該床本身由兩層組成。較大的下層是活性氧化鋁9；較小的上層是NaY10。上床表面由第二不銹鋼篩網(wǎng)11限制，篩網(wǎng)11靠填充上端板的另一層陶瓷球12固定就位?？墒苟税蹇臻g內(nèi)的陶瓷球12漸次變化以提供改善的分布。
在本發(fā)明的操作中，選擇合適的吸附劑用于床的產(chǎn)品端是本發(fā)明的關(guān)鍵。所選吸附劑必須強(qiáng)吸附乙炔和其它烴，它必須對(duì)烴有優(yōu)于CO2的選擇性，以致CO2總是在這些對(duì)操作有害的烴(如乙炔)之前穿透該床。此外，在工藝操作條件下它應(yīng)不是N2或O2的強(qiáng)共吸附劑。如果有，在減壓期間不排除冷卻，因?yàn)槲疆a(chǎn)生熱量。這將導(dǎo)致解吸步驟期間吸附質(zhì)更強(qiáng)地保留在吸附劑上，從而需要較多的吹掃氣。
在用活性氧化鋁除去大部分CO2和H2O的PSA預(yù)純化器的熱(產(chǎn)品)端使用適當(dāng)尺寸的NaY層，顯著改善了該循環(huán)的經(jīng)濟(jì)性。也增加了乙炔在床中的停留時(shí)間，確保CO2前沿先穿透。
本發(fā)明中，床中所用NaY的量是經(jīng)濟(jì)問題。最佳循環(huán)將部分取決于相對(duì)的能量成本、要除去的烴量、和所用空氣分離設(shè)備的操作效率。
NaY與活性氧化鋁的優(yōu)選比例在10％NaY/90％活性氧化鋁和90％NaY/10％活性氧化鋁之間。
更優(yōu)選的比例在10％NaY/90％活性氧化鋁和50％NaY/50％活性氧化鋁之間。最優(yōu)選的比例在10％NaY/90％活性氧化鋁和30％NaY/70％活性氧化鋁之間。上述比例適用于第一層中活性氧化鋁的量與第二層中NaY的量之比。
我們應(yīng)注意到較強(qiáng)的吸附劑可通過(guò)本領(lǐng)域公知的方法重建，產(chǎn)生有NaY性能的吸附劑。這些方法可包括但不限于改變SiO2/Al2O3之比、晶體含量、粘合劑的百分率和殘余H2O含量。例如，13X和5A可按上述方法改性產(chǎn)生氮?dú)獾墓参綔p少和對(duì)較強(qiáng)吸附的吸附質(zhì)(如C2H2、CO2)有充足容量的吸附劑。
當(dāng)使用NaY作為較強(qiáng)吸附劑時(shí)，使用前必須徹底干燥并保持干燥。優(yōu)選地，NaY上的水負(fù)荷應(yīng)等于或小于4wt％，更優(yōu)選小于2wt％，最優(yōu)選小于0.8wt％。在本發(fā)明的操作中，可裝載活性氧化鋁，然后現(xiàn)場(chǎng)干燥。
床中的顆粒分布必須均勻以確保接觸所有雜質(zhì)。要確保適當(dāng)?shù)男阅艽仓芯鶆虻牧鲃?dòng)分布和壓力特征是必要的。使用顆粒加料器(通常指US5,324,159中所述的)使容器的均勻加料相對(duì)簡(jiǎn)單。控制分布臂的旋轉(zhuǎn)速度將能調(diào)節(jié)填充密度。
作為實(shí)例，設(shè)計(jì)一種兩床PSA空氣預(yù)純化器以供應(yīng)CO2≤0.25ppm、H2O≤0-1ppm和C2H2≤1ppb的產(chǎn)品，有圖1中所示構(gòu)造，該預(yù)純化器將在以下參數(shù)下操作，且有以下特征進(jìn)料條件進(jìn)料流＝7,500至16,000SCFH/FT2含有0.33ppm C2H2的空氣溫度＝50至120°F壓力＝100至140PSIA吸附時(shí)間＝7至35分鐘再生條件吹掃氣/進(jìn)料之比＝40至60％壓力＝大氣壓溫度＝環(huán)境(床)吹掃時(shí)間＝在吸附時(shí)間的約1至1.5倍之間。
吸附劑LaRouche A-201(7×12球)活性氧化鋁UOP NaY(1/16″擠出物)床(具體實(shí)例)總床深度＝6.25ft.
活性氧化鋁層＝5.00ft.
NaY層＝1.25ft.
優(yōu)選地，本發(fā)明的PSA預(yù)純化器在以下條件下操作；進(jìn)料溫度為約40-120°F、進(jìn)料壓力約30-240psia和再生壓力約大氣壓。操作溫度超過(guò)100°F和吹掃氣與進(jìn)料之比等于或大于50％時(shí)，使用NaY的本發(fā)明的性能最優(yōu)。
本發(fā)明的方法不限于圖中所提出的單床結(jié)構(gòu)。用于變壓吸附循環(huán)的有效吸附劑床和這些循環(huán)的操作的設(shè)計(jì)由本領(lǐng)域公知的方法實(shí)現(xiàn)。例如，本發(fā)明可用一或多個(gè)異相操作的床實(shí)施。其它實(shí)施方案(盡管不優(yōu)選)包括NaY層可放在床中任何位置的一種實(shí)施方案(其中H2O濃度足夠低以使C2H2優(yōu)于CO2選擇吸附)，及整個(gè)床均為NaY的實(shí)施方案。如前所述，NaY最好在床的較熱的、較干的產(chǎn)品端。
本發(fā)明提供幾個(gè)優(yōu)于已知PSA預(yù)純化器的優(yōu)點(diǎn)。第一，本發(fā)明可完全除去空氣中的C2H2至低于1ppb。這確保相聯(lián)的空氣分離設(shè)備安全操作。
此外，本發(fā)明達(dá)到CO2吸附前沿的穿透始終在C2H2穿透之前。這提供了相對(duì)簡(jiǎn)單的確保工藝安全的方法，因?yàn)轭A(yù)純化器的進(jìn)料步驟通常在CO2吸附前沿的穿透開始之前終止。
進(jìn)一步地，層狀PSA床的總操作成本低于單純氧化鋁吸附劑床的操作成本。這大部分是由于吸附步驟的時(shí)間較長(zhǎng)，因而泄料損失較少。
最后，該系統(tǒng)不需要附加的系統(tǒng)硬件，可在現(xiàn)有容器中完成。
本發(fā)明的具體特征示于一或多個(gè)附圖中僅為方便，因?yàn)槊總€(gè)特征都可與本發(fā)明的其它特征相結(jié)合。本領(lǐng)域技術(shù)人員將認(rèn)識(shí)到可選的實(shí)施方案，均包括在權(quán)利要求的范圍內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種變壓吸附氣體純化器，用于在高吸附壓力下吸附進(jìn)料氣流中存在的雜質(zhì)和在低解吸壓力下解吸所述雜質(zhì)，所述純化器包括一吸附容器，包含能在高吸附壓力下選擇吸附所述進(jìn)料氣流中存在的所述雜質(zhì)和在低解吸壓力下解吸所述雜質(zhì)的吸附材料床，所述吸附容器有用于加入所述進(jìn)料氣流的進(jìn)料端和用于從中回收純化的進(jìn)料氣的產(chǎn)品端，其中所述吸附材料床包括至少兩層吸附劑，對(duì)于所述雜質(zhì)的吸附而言，至少一種所述吸附劑相對(duì)較強(qiáng)，至少另一種所述吸附劑相對(duì)較弱，其中所述相對(duì)較強(qiáng)的吸附劑優(yōu)先吸附乙炔或C3-C8烴至少之一優(yōu)于CO2，和其中所述相對(duì)較強(qiáng)的吸附劑對(duì)所述乙炔或C3-C8烴而言是自清洗的，比13X吸附劑所需吹掃氣少。
2.權(quán)利要求1的預(yù)純化器，其中所述相對(duì)較強(qiáng)的吸附劑是NaY。
3.權(quán)利要求1的預(yù)純化器，其中所述相對(duì)較弱的吸附劑是活性氧化鋁。
4.權(quán)利要求1的預(yù)純化器，其中所述相對(duì)較弱的吸附劑是活性氧化鋁和所述相對(duì)較強(qiáng)的吸附劑是NaY，和其中NaY與活性氧化鋁之比在10％/90％和90％/10％之間。
5.權(quán)利要求1的預(yù)純化器，其中所述相對(duì)較弱的吸附劑是活性氧化鋁和所述相對(duì)較強(qiáng)的吸附劑是NaY，和其中NaY與活性氧化鋁之比在10％/90％和50％/50％之間。
6.權(quán)利要求1的預(yù)純化器，其中所述相對(duì)較弱的吸附劑是活性氧化鋁和所述相對(duì)較強(qiáng)的吸附劑是NaY，和其中NaY與活性氧化鋁之比在10％/90％和30/70％之間。
7.權(quán)利要求1的預(yù)純化器，其中所述進(jìn)料氣是空氣。
8.權(quán)利要求1的預(yù)純化器，其中所述雜質(zhì)是水、乙炔、CO2和C3-C8烴至少之一。
9.權(quán)利要求1的預(yù)純化器，其中所述相對(duì)較弱的吸附劑層在所述床的所述進(jìn)料端和所述相對(duì)較強(qiáng)吸附劑層之間。
10.權(quán)利要求1的預(yù)純化器，其中所述相對(duì)較強(qiáng)的吸附劑選自13X、5A、CaA、CaX或Na-絲光沸石，其中所述吸附劑已由其原形改性。
11.一種純化氣流的方法，所述方法包括使所述氣流通過(guò)含有能在高吸附壓力下選擇吸附所述進(jìn)料氣流中存在的所述雜質(zhì)和在低解吸壓力下解吸所述雜質(zhì)的吸附材料床的變壓吸附容器，所述吸附容器包含能在高吸附壓力下選擇吸附所述進(jìn)料氣流中存在的所述雜質(zhì)和在低解吸壓力下解吸所述雜質(zhì)的吸附材料床，所述吸附容器有用于加入所述進(jìn)料氣流的進(jìn)料端和用于從中回收純化的進(jìn)料氣的產(chǎn)品端，其中所述吸附材料床包括至少兩層吸附劑，對(duì)于所述雜質(zhì)的吸附而言，至少一種所述吸附劑相對(duì)較強(qiáng)，至少另一種所述吸附劑相對(duì)較弱，其中所述相對(duì)較強(qiáng)的吸附劑優(yōu)先吸附乙炔或C3-C8烴至少之一優(yōu)于CO2，和其中所述相對(duì)較強(qiáng)的吸附劑對(duì)所述乙炔或C3-C8烴而言是自清洗的，比13X吸附劑所需吹掃氣少。
全文摘要
本發(fā)明包括一種用于除去進(jìn)料氣流中存在的雜質(zhì)的PSA氣體預(yù)純化器。本發(fā)明的預(yù)純化器有一吸附材料床,包括至少兩種不同的吸附劑層,至少一種所述吸附劑相對(duì)較強(qiáng),至少另一種所述吸附劑相對(duì)較弱。
文檔編號(hào)B01D53/047GK1195571SQ97120839
公開日1998年10月14日 申請(qǐng)日期1997年12月9日 優(yōu)先權(quán)日1996年12月12日
發(fā)明者F·W·萊維特 申請(qǐng)人:普拉塞爾技術(shù)有限公司