[发明专利]连续式转晶与离子交换装置及工艺

说明书

一种连续式转晶与离子交换装置及工艺，属于分子筛制造技术领域。该连续式转晶与离子交换装置包括串联连接的M+N个反应罐，后一个反应罐的进料口与前一个反应罐的出料口通过反应溶液循环管道连通，第M+N个反应罐的出料口与第一个反应罐的进料口通过反应溶液循环管道连通；其中，不超过M个反应罐用于转晶工艺，不超过N个反应罐用于离子交换工艺。本发明用于制备沸石分子筛成品，具有交换度较高、工艺简单、成本低廉等优点。

技术领域

本发明涉及的是一种分子筛制造领域的技术，具体是一种连续式转晶与离子交换装置及工艺。

背景技术

分子筛最初发现于天然矿物，当时被用于流体的干燥和净化。随着科学技术的发展，分子筛被广泛地应于许多行业，尤其当今的石油化工和气体分离行业成了分子筛的最大用户。由于天然矿物的匮乏和种类的局限性，人们采用氧化铝、氧化硅、碱或以粘土类矿物质为原料，人工合成出了各种类型的分子筛，并已形成了大规模的工业生产和应用。人工合成出的分子筛多是尺寸为1~10µm的粉体。这种细小的分子筛晶体虽然有着良好的吸附性能、催化性能和热稳定性能等，但在使用中会形成粉尘空间，污染环境，操作也不方便，必须在分子筛粉末中加入一定量的粘结剂，将分子筛制成所需尺寸和形状，具有一定机械强度的聚集体。采用粘土和分子筛粉体粘结成型是最普遍运用的方法，粘土一般选择高岭土（以高岭土为原料合成沸石分子筛的主要依据是结构组成的相似性），凹凸棒土，膨润土，蒙脱土等中的一种或几种，用量一般占总量的2~20wt%，成型后分子筛的性能随加入粘结剂的种类和比例不同而不同。粘结剂的作用主要是包围粉粒表面不平处，增加可塑性，同时还有稀释和润滑作用，减少内摩擦的作用。但在沸石分子筛的焙烧成型过程中，粘结剂一般会转化为无吸附活性或吸附活性很低物质，因此粘结剂的加入降低了分子筛的吸附性能、催化性能和热稳定性能等。因此，采用高岭土作为粘结剂成型分子筛后，通过相应的转晶处理，生成无粘结剂全沸石分子筛是目前主流的方案。据相关文献，Breck等人早在1974年通过将高岭土焙烧或热活化后在碱液中水热处理生成沸石分子筛。

硅铝比在1.0-1.1之间的X型沸石分子筛被称为低硅铝X型沸石分子筛(LSX)。由于Li⁺半径最小，电荷密度最大，相比于Na⁺，Ca²⁺，Mg²⁺等离子的沸石分子筛，LiX沸石分子筛具有较好的富氧性能，对氮气的吸附容量比普通的X型沸石分子筛高出50%以上，而Li-LSX沸石分子筛比普通的X沸石分子筛则具有更大的氮气吸附容量和氮氧分离能力，从而在气体分离方面表现出优越性并由此在工业上得到广泛应用，例如变压吸附分离(PSA)和真空变压吸附分离(VSA)等分离过程。实验证明，只有当Li-LSX型沸石分子筛中Li交换度大于70%，其氮气吸附容量才会迅速增加。因此，在锂盐价格持续上涨和LSX沸石分子筛骨架中个别位置上钠离子较难交换的情况下，如何用较低的生产成本和合理的工艺条件得到较高的离子交换度就成为本领域的研究焦点之一。

以Na-LSX型沸石分子筛为原料制备Li-LSX型沸石分子筛的过程中，比较常见的方法是水溶液交换和熔融交换，另外还有非水溶液交换和蒸汽交换等方法。水溶液交换法虽然可以达到较高的交换度，但需要多次交换或者连续交换，由于交换条件较为温和（温度为室温到100℃，时间为数十分钟到数小时），容易实现工业化，所以这种方法目前在规模化生产中应用最为广泛。但是，若采用多次交换，经过一到二次交换后，后续交换的交换度提高缓慢，交换效率降低；而连续交换则需要大量的交换溶液且浪费现象严重。