[发明专利]循环摆动吸附方法的改进

说明书

技术领域

本发明涉及用于分离原料气混合物的循环摆动吸附(cyclical swingadsorption)方法。本说明书中所使用的术语“分离”包括从气流中除去污染物和/或杂质，随后可将该气流进一步分离。本发明特别地，但非排他地应用于除去在原料气中的二氧化碳或至少减少在原料气中二氧化碳水平，以使该原料气适合用于下游处理。本发明特别有用于从空气中除去二氧化碳，该空气将被用作空气的低温分离或纯化方法中的原料气。

背景技术

二氧化碳是相对高沸点的气态物质，将其与可能存在于原料气中的其它高沸点物质(例如水)除去在该混合物随后将要在低温(例如冷冻)过程中处理的情况下是必需的。如果不除去相对高沸点的物质，则它们可以在后续处理中液化或固化，导致在下游过程中的压降和流动困难。还可能需要或希望在进一步处理原料气之前除去危险性(例如爆炸性)物质，从而减少在后续处理过程中积聚并由此出现爆炸危害的风险。烃类气体，例如乙炔，可发生此类危害。

已知数种方法利用固体吸附剂的选择吸附从原料气混合物中分离一种或多种组分。这些方法包括变温吸附(TSA)、变压吸附(PSA)、热变压吸附(thermal pressure swing adsorption，TPSA)和热增强的变压吸附(TEPSA)。通常，该方法以循环方式进行，其中一个吸附剂床处于运转(on-stream)模式，在该模式中吸附物从穿过该床的原料气混合物中被吸附，与此同时另一个吸附剂床处于再生模式，在该再生模式中被吸附的吸附物从该床中脱附，并且这两个床在所述两种模式之间交替。

一般地，在空气作为原料气的这些处理中，将水和二氧化碳从空气原料气中除去，这通过使该混合物与吸附水和二氧化碳的一种或多种吸附剂接触来实现。水吸附材料典型为硅胶、氧化铝或分子筛，二氧化碳吸附材料典型为分子筛，例如沸石。常规地，通过使原料空气穿过单个吸附剂层或各单独的吸附剂层来首先除去水，然后除去二氧化碳，为优先吸附塔中的水和二氧化碳而选择所述吸附剂。对于下游处理的有效操作，尤其希望将二氧化碳和其它高沸点组分去除至非常低的水平。

在吸附之后，切断来自吸附剂床的原料气流，将吸附剂与再生气体流接触，再生气体从吸附剂中脱附被吸附的物质，例如二氧化碳和水，从而使吸附剂再生，以便进一步使用。

在用于除去二氧化碳和水的TSA过程中，典型地使用主空气压缩机(MAC)将大气压缩，随后通过水冷，并在分离器中除去如此冷凝的水。可以使用例如冷冻的乙二醇将空气进一步冷却。在该步骤中通过冷凝物的冷凝和分离除去大部分的水。然后使气体通入吸附剂床系统中，在其中通过吸附将剩余的水和二氧化碳除去。

通过使用平行布置的两个吸附剂床，一个床可进行操作，用于吸附，同时对另一个床进行再生，在操作循环中它们的作用定期颠倒。常规将相等的时间花费在吸附和再生。

随着当床处于运转的同时从原料气中去除的组分被吸附，该吸附过程将产生吸附热，引起热脉冲向下游行进而贯穿吸附剂。在进料(feed)或运转期间，允许该热脉冲从吸附床的下游端行进出来。在再生过程中，必须提供热量来使已经吸附于床上的气体组分脱附。在再生步骤中，使用产品气体的一部分，例如来自下游过程的氮气流或废气流，将经吸附的组分脱附，并且除被加热之外还可以被压缩。使热气体通过正在再生的床，以除去吸附物。常规在与吸附步骤相反的方向上进行再生。

在PSA系统中，循环时间通常比在TSA系统中短，但是进料温度和压力以及再生气体常常是相似的。然而在PSA系统中，再生气体的压力低于原料气的压力，并且使用压力的变化从吸附剂中除去二氧化碳和水。再生操作适宜在以上对于TSA所提及的热脉冲到达床的下游端之前开始。通过再生过程使热脉冲的方向颠倒，正谈及的源自气体组分的吸附的热量保留在床中并用于在再生过程中脱附该组分。与TSA相反，不必需加热再生气体。

热变压吸附(TPSA)也适合于从原料空气中除去二氧化碳和水。在TPSA系统中，典型地将水限制在一个区段，在该区段中放置了水吸附介质，例如活化氧化铝或硅胶。典型使用包含例如用于吸附二氧化碳的分子筛的单独层，分子筛层和用于吸附水的区段通常是分开的。与TSA系统相反，水不会进入分子筛层至任何明显的程度，这有利地避免输入大量的能量以便从分子筛层中脱附水的需要。TPSA方法例如描述于US专利No 5,885,650和5,846,295中，其内容通过引用并入本文。