[发明专利]用具有改进孔隙率的吸附剂分离氧/氮混合物的方法

说明书

本发明涉及一种分离氮、氧混合物的方法，具体地说涉及应用一种改进的吸附剂对传统的PSA/VSA(变压吸附/变容吸附)方法或其它利用改变压力吸附方法任选包括一个在低于大气压下进行解吸步骤的改进。

氧的应用领域十分广泛，如炼钢、制药、金属焊接、造纸、燃烧及去污等，故由氮氧混合物(如空气)回收氧具有巨大的工业价值。

在多数分离方法中，含有氮氧的待分离气体混合物首先被引入分离段与对氮选择性优于氧的沸石接触，然后在吸附段出口端回收富氧气体，最后通过氮的解吸再生沸石。在上述不同阶段，温度与压力条件依优化氮的吸附和解吸而定。众所周知，低温促进吸附而高温有助于氮的解吸。

氮在沸石上的选择性吸附源于氮分子的四极矩与沸石阳离子的强的相互作用。

事实上，现已证实：高吸附效率可由增加沸石内阳离子电荷及大小获得。据此，有人提出应用与金属阳离子(如碱金属阳离子)进行交换的沸石作为吸附材料。专利US-5203887，US-3140932及US-4859217具体说明了用锂交换后的沸石对含低极性气相物质(如氧)的氮的良好的选择性。

但是，含锂沸石制造成本高，这限制了其在应用PSA/VSA方法分离氮氧混合物技术中的发展。

一般认为，在PSA/VSA方法中常用的沸石的大孔孔道内氧与氮的扩散很快，并不影响氮的吸附效率。换言之，待分离气体混合物至沸石内部中心吸附位的时间可以忽略。依此假设，沸石的孔隙率至今并未被视作是影响吸附效率的决定因素。此处，沸石的孔隙率是直接表征沸石内空隙所占体积分率的参数。

从各方面考察PSA/VSA过程的总性能可立即发现：孔隙率是限制因素。事实上，由简单的推断就可得知：孔隙率增加，随之吸附位减少，因之也就减小了单位体积吸附剂的氮吸附容量。既然应用PSA/VSA方法的目的在于使吸附剂的体积最小，以降低装置的成本及操作费用，那么，常用沸石的孔隙率就应尽可能降低。

而且，据专利US-5258060，选择高密度亦即孔隙率相对较低的吸附剂完全有利于限制吸附剂内温度的波动以及对氮解吸及吸附机制产生不利影响的其它变化。

实际应用中，用于PSA/VSA方法的常规工业沸石的孔隙率低于0.36。例如，Ruthven在其著述《Adsorption principles and adsorp-tion processes》中阐明合成沸石的孔隙率介于0.32至0.36。同样，Breck曾估算一种工业沸石5A的孔隙率为0.35～0.34(参见《Zeo-lite molecular sieves》，John Wiley & Sons，1974，750)。

然而，本发明对本领域中这些似是而非的说法表示怀疑，并通过增加孔隙率及在精心选定的取值范围内加以实现以揭示改善PSA/VSA方法的性能的可能性。

VSA/PSA方法的产出率以每单位吸附剂(基于质量或体积)收得氧的体积衡量。迄今，一个基本的观点是平衡原理，也即气相与沸石一经接触即达于平衡。这等于是设定，待分离气体混合物在大孔孔道内瞬时便完成扩散。而且，假设在转变为解吸段之前，氮吸附阶段的持续时间决定于吸附剂的用量。特别地，据专利US5074892，产生1m³氧气所需吸附剂的量(在本技术领域以BSF表示)正比于吸附阶段的持续时间。这种气相与沸石相间平衡的原理在专利US5258060及US5266102中得到更为详细的描述。

此处，本发明是基于下列发现，调整吸附剂的孔隙率至某一最佳值可以加速吸附动力学过程，因而缩短气相混合物与吸附剂的接触时间。

如此也就使PSA/VSA循环的每小时空时产率得以全面改进。

依照本发明，产出效率的改进是孔隙率较之市售沸石的常规值加以提高的结果，该结果是始料未及的，是与本技术领域的常识相悖的。

更确切而言，本发明提供一种将氮/氧混合物分离为其单一组分的方法，包括：将待分离混合物引入分离段，并与选择性吸附氮的吸附剂相接触；该吸附剂为附聚物沸石，其Si/Al比小于5，孔隙率介于0.38至0.60之间；参数a_k不小于0.5s^-1，这里参数a_k表征氮在分离段内吸附剂上的吸附动力学且遵从“线性驱动力模型”；而且，如吸附剂为含锂沸石，其孔隙率变化范围为0.25至0.60。

初始混合物中氧氮体积比可以任意变化。