[发明专利]用于分离气体的方法以及其中所使用的吸附剂组合物

说明书

发明领域

本发明提供分离气流中各组分的吸附法中使用的复合吸附剂。更具体地，本发明涉及用于在进一步处理之前特别是在低温空气分离过程之前从循环吸附过程的进料气流中去除污染物例如至少二氧化碳(CO₂)以及氮氧化物、烃类和其它痕量杂质的复合吸附剂。优选地，该复合吸附剂用于具有第一吸附剂层以去除水或水蒸汽的吸附系统中。

发明背景

利用低温蒸馏技术生产氮气、氧气和氩气的常规空气分离装置(ASU)是众所周知的。ASU通常在非常低的温度或深冷温度下，利用一个或多个蒸馏柱将空气分离成其主要的组分气体。重要的是，在低温蒸馏之前从压缩空气进料中去除某些杂质(例如水蒸汽、二氧化碳、氮氧化物和痕量的烃类)，以避免杂质在低温设备中冻结以及可能的造成爆炸。任何冻结将需要停止该过程以便去除冷冻气体的有害的固体物质，这是代价高的并且会损坏设备。通常，压缩空气进料流中水蒸汽和二氧化碳的含量必须分别小于约0.1 ppm和约1.0 ppm，从而防止这些气体在ASU中冻结。

因此，在蒸馏之前通常利用吸附法对空气进料流进行净化或纯化以去除这些杂质，该吸附法使用了用一种或更多种选择性地吸附杂质的吸附剂的床所填充的两个或更多个容器。一旦吸附床被杂质饱和则需要通过去除杂质而使其再生，使得该吸附床准备好进一步使用。

目前的用于这种空气预纯化的工业方法通常包括循环压力摆动吸附法或温度摆动吸附法中的任一种方法或者其组合。压力摆动吸附(PSA)利用压力的变化(包括真空)使吸附剂再生，温度摆动吸附(TSA)利用热驱动力(例如加热的吹扫气体)使杂质解吸。与PSA相比，TSA法通常所需要的吹扫流的量要少得多并且提供更长的循环时间(通常是在4至10小时的范围内)。PSA法需要更大量的吹扫流并且提供短得多的循环时间(大约数分钟)。此外，与TSA相反，PSA中无需再生热能。因此，当低温空气分离厂中存在充足的可用废氮气时，PSA法通常是空气预纯化的优选选择，这是由于其简单性、较低的资金成本、和较低的操作成本。

PSA法的一个缺点是吸附剂并非始终在吹扫步骤完成时完全再生，因此与在TSA法中再生的吸附剂相比，它们的动态容量、去除期望组分的能力降低。结果，PSA法通常运行短的循环时间，从而必须以相当频繁的间隔对吸附床进行吹除(通风)和再加压。在吹除步骤期间，存在着截留于容器和管道的空隙空间内以及吸附于吸附剂上或吸附剂内部的显著的空气损失。该空气损失，被以各种术语(诸如吹除损失、通风损失、或者床转换损失)提及，代表显著的浪费，因为空气并不用于在预净化器下游的空气分离。更重要地，存在操作成本方面的缺点，因为在床转换期间的空气损失使用了有用的压缩功率。因此，存在着增加的需求以减小此动力需求，并且提高PSA预纯化过程的操作效率。

降低PSA法的动力需求的一种方法是减小前述的吹除或床转换损失。这可以通过降低床吹除和再加压的频率(例如通过延长在被转换到再生之前将床保持在线的循环时间)来实现。然而，因为常规的商业吸附剂(包括沸石-氧化铝复合物)仅提供适度的用于去除上述常见空气污染物的动态工作能力，所以循环时间的增加将会需要在固定的床尺寸下显著地减小进料流量或者需要在固定的进料流速下大幅增加床尺寸。然而，已发现通过改变用于提供增加的工作能力的吸附剂，可以实现所需的改善。

已知在PSA预净化器中使用沸石、氧化铝以及包含沸石和氧化铝的某些复合吸附剂。现有技术的氧化铝-沸石复合物的例子揭示于美国专利5,779,767、6,027,548、6,358,302、和6,638,340中。氧化铝-沸石小球混合物的例子揭示于美国专利6,027,548和EP 0904825 A2中。然而，这些教示均未在吸附过程中使用含有10%或更多的具有至少20 cal/mol-°K(83.7 J/(mol·K))的热容的金属氧化物的复合吸附剂。

发明内容

本发明提供一种优越的复合吸附剂，该复合吸附剂是用于在吸附过程中从进料气流中去除气态杂质。该复合吸附剂可以用于CO₂去除吸附过程，或者可以用作用于空气预纯化的循环吸附法中的多层吸附系统的一部分。 

在一个实施例中，提供一种用于在循环吸附过程中分离气体的多层吸附系统，该系统包括两层更多层的吸附剂层，其中第一层至少是水蒸汽去除吸附剂，并且第二层是至少包含含沸石CO₂去除吸附剂以及10%或更多的具有至少20 cal/mol-°K(83.7 J/(mol·K))的热容的金属氧化物的复合物。