[发明专利]用于高温吸附过程的加载吸着剂的纤维

说明书

一种在聚合物基质中包含吸着剂颗粒(50wt％)的复合纤维，所述聚合物基质包含聚合物或聚合物的共混物，所述聚合物包含至少一种热塑性聚合物，所述挤出物通过热诱导的相分离或扩散诱导的相分离由所述热塑性聚合物、任选的溶剂和所述吸着剂颗粒的纺丝悬浮液产生。所述聚合物或聚合物的共混物能够经得起暴露于220℃或更高的温度，而不经历对所述吸着剂颗粒的吸着容量的显著不利影响。所述纤维展现出至少5％的断裂伸长率。

背景技术

技术领域

本发明涉及用于气体分离的结构化吸附剂。

相关技术

吸附剂典型地成形为小珠粒(直径1-5mm)并且在从用于隔热窗户的干燥剂到氢气纯化的无数应用中找到广泛用途。然而，当前的吸附剂系统包括许多缺点。

传统的珠状吸附剂床的堆积密度受到珠粒的通常球形形状的限制。具体地，用相同直径的完美球体可实现的最大堆积密度为74％。实际上，在吸附剂珠粒床内存在直径分布。例如，最大直径与最小直径的比率可以为约2:1。另外，珠粒不一定是完美地球形的，这样使得经常实现仅高达65％的平均堆积密度。

因为当前的珠状吸附剂典型地使用脆性的基于粘土的粘合剂，如膨润土，所以它们不耐摩擦或冲击并且因此易于粉化。鉴于目前的珠状吸附剂典型地不耐摩擦和冲击，标准做法是将通过平均珠粒所见的气体速度限制在流化速度的80％与90％之间的任何值，这样使得避免流化和粉化。因为气体速度受到限制，因此在生产和减压步骤期间气体的流速类似受到限制。如果流速受到限制，则吸附剂床可以减压和再加压的速度也受到限制。对于大型PSA系统而言尤其如此。因此，常规的珠状吸附剂床的通过量受到限制。

磨损速度是常规吸附剂床的珠粒可经受而不展现出由于摩擦和冲击的磨损(即，粉化)的最大气体速度的指标。磨损速度与平均珠粒质量直接相关。随着珠粒质量增加，磨损速度增加。因此，增加珠状吸附剂床的通过量的一种方法是增加平均珠粒的质量，或者换句话说，增加珠粒的平均直径。然而，由于珠粒内气体传输的扩散限制，增加珠粒的质量或平均直径以较慢的动力学为代价。这是因为，随着珠粒的质量/直径增加，气体柱从珠粒的表面行进到珠粒内的可用吸附点的平均路径长度也将增加。

为了减轻上述缺点中的一些，有人提出使用结构化的吸附剂床。不同于珠状床的离散结构，结构化的吸附剂床的概念是形成刚性和/或固定的吸附剂床或连续吸附剂结构，以便消除与流化有关的问题。通过这样做，可以通过减小吸附剂结构的特征尺寸来改善动力学。作为举例，与构造成2mm珠粒的相似质量的吸附剂相比，仅0.1mm厚的负载的吸附剂层可以具有更好的动力学。

提出的一种类型的结构化的吸附剂床是通过将含吸附剂的层沉积到非吸收性基材(例如铝框架)上而形成的。如美国专利5,401,706中所述，可商购的干燥剂转轮是这种方法的主要实例。可替代地，US 8,133,308提出了负载的吸着剂纤维。具体地，包括吸附剂和乙酸纤维素的基质的薄层沉积在非吸着性空心纤维的外径周围。

尽管可以使用基材负载的吸附剂改善结构化的吸附剂床的动力学，但所述方法受制于若干缺点。第一个缺点是成本，因为涉及更多的制造步骤。第二个缺点是较低的有效吸附剂堆积密度，因为被载体/基材占据的空间没有显著参与吸附过程。

可替代地，已经提出了由吸附剂/聚合物的混合基质制成的吸附剂，以便提高堆积密度。例如，US 6,451,723披露了聚砜(PS)用于形成混合基质13X-PS吸附剂结构的用途。尽管对于床形成和处理的容易性以及对机械应力和热应力的耐性，聚合物粘结剂比脆性的基于粘土的(或类似的脆性粘合剂)更优选，但我们不知道任何基于热塑性聚合物粘结剂的吸附剂，这些吸附剂在需要高温活化和/或再生时完全令人满意。更具体地，许多常见的吸附剂可能需要远高于200℃的活化/再生温度。例如，5A和13X沸石以及活性氧化铝可能需要超过300℃的活化温度，基于锂的沸石可能需要超过400℃的活化温度，并且活性炭或碳分子筛(CMS)吸附剂可能需要超过甚至450℃的活化温度。