[发明专利]速率/动力学选择性多床吸附工艺循环

说明书

本发明涉及一种强化工艺循环，所述强化工艺循环利用明显更大量存在的吸附床，从而允许处理显著更多的气体和/或产生显著更多的产物。消除吹扫步骤、减少均衡步骤时间并且引入重叠的进料步骤和均衡步骤(反之通常导致基于平衡的循环的性能下降)使得无需采取额外的其他行动步骤，诸如附加的均衡步骤等。

相关申请

本申请要求2018年3月29日提交的美国临时申请序列号62/649798的权益，该美国临时申请以引用方式并入本文。

技术领域

本发明整体涉及一种用于主要通过速率或动力学选择性吸附从进料流中去除污染物的系统的方法。这些系统显著不同于典型的平衡选择性吸附，可以商业性存在于氮气变压吸附(PSA)系统中。通常已知速率选择性碳分子筛提供可以用于这些方法中的速率选择性特性。

使用非平衡选择性吸附剂进行速率选择性吸附比在多床情况下使用平衡选择性吸附剂需要考虑不同的因素。将在平衡选择性多床系统方法中取得的进展应用于简单的速率选择性吸附系统，证明其不及这些方法。然而，新的考虑因素极大地提高了系统的性能以及最终回收率和经济效益。

本发明由用于速率选择性吸附剂的多床工艺组成，以通过引入附加均衡步骤、更多时间以再生系统和/或一次引入更多可用床以处理通常不存在于PSA系统中的进料气体来提高产物气体的效率和回收率。这些附加均衡步骤可通过引入新的静止步骤、重叠的均衡和进料加压并且省略吹扫来实现。

这些新的循环在从天然气中去除N₂方面得到了证明，但适用于具有非平衡选择性吸附剂(定义为处于平衡状态时优先吸附产物而不是污染物的吸附剂)的任何速率选择性工艺。

背景技术

即使在吸附剂完全相同并且进料条件完全相同的情况下，过程也不会完全相同。因此，必须分别评估每个过程，这可能是一项艰巨的任务。作为做该选择存在的困难的示例，对于非常简单的4床4相循环，存在38个步骤选项，这些步骤选项一次仅可针对2个床相互排斥。假设步骤时间中仅变化1秒，通过改变床尺寸，一个步骤变化至多150秒，则产生的复杂度为3^(4*4)^38^150，这导致大约1E59000个组合，而宇宙的直径仅为1E29英尺。每个模拟可能需要200多个小时才能达到最佳的循环稳态，以评估该循环的全部性能。为了找到最佳结果，大约需要1E58999年。为此，找到循环或操作有用循环方案以及相对于当前生产循环的显著增加即使对于本领域的技术人员而言也不是显而易见的，并且对于新应用或新型吸附剂而言尤其如此。与传统观念背道而驰的趋势可完全重写先前发现的方法和相关性。本发明涉及对应于速率选择性材料的非常具体的工艺的发现。

几十年来，诸如变压吸附(PSA)、变真空吸附(VSA)和真空变压(VPSA)的吸附工艺已在商业上用于本体空气分离以及痕量空气污染物的去除。在PSA和VPSA工艺中，压缩空气被泵送通过吸附剂的固定床，该吸附剂对主要成分中的一种成分(通常在本体空气分离中为N₂，在空气预纯化中为CO₂和H₂O，或者在H₂纯化中为CO和CO₂等)表现出吸附性偏好，从而获得富含较少吸附成分的流出产物流。对这些工艺进行改进仍然是重要的目标，一种主要手段是发现和开发更好的工艺循环。不仅在气体回收方面而且在总体系统尺寸减小方面都已实现显著改进。即使不断改进并用更好的替代品替换用于驱动系统的吸附剂，这些改进也继续提供重要的有益效果。

一种增加产物气体回收率的策略是引入均衡步骤。这些步骤用于在已处理的空隙空间中节省压缩气体，并通过在将后续床放在生产步骤之前减少其所需的加压来另外节省能量。在平衡选择性工艺中，所寻求的持续改进之一是增加吸附速率。因此，这也增加了解吸速率。在均衡步骤期间，如果通过床的通量显著高于材料的吸附速率，则吸附前沿可在减压期间在床中扩散。这种现象在加压过程中不会自动逆转，因此产物气体污染物浓度会增加。