[发明专利]使用吸附剂和催化剂混合物的气体净化方法

说明书

技术领域

本发明总的涉及昂贵的高选择性的吸附剂和催化剂用于痕量污染 物气体去除以产生高纯度和超高纯度产物的应用。将该高度选择性的 材料与其它较廉价的低选择性材料的混合产生了实现更高纯度、更高 容量和/或更低成本同时不另外添加昂贵的选择性材料的性能。

发明背景

工业过程的空气和其它气态进料流通常包含痕量的污染物，该污 染物可能对该进料气体或其分离组分的最终用途是有害的。此外，使 用这些净化气流的过程通常对甚至低含量的这些污染物也是敏感的， 使得该净化产物流必须具有高纯度和超高纯度(UHP)。进料气体中 污染物的低含量和化学性质，与对高纯度的需求一起通常需要使用用 于去除污染物的高选择性吸附剂或催化剂材料。尽管有一些材料可以 是有效的，但与这些高选择性材料有关的成本通常也相当高(例如 ＞$10/lb到超过$100/lb)。在很多情况下，只需要这种高选择性吸附剂 或催化剂的薄层(例如几英寸)。

在商用规模的容器中分布高选择性和昂贵的材料和在该容器的整 个流动面积上保持深度约几英寸的均匀层是很困难的。层深度的变化 导致在该层厚度过薄时污染物的过早穿透。那么在这种状态下达到高 或超高纯度产物流会是不可靠的。当使用低到中等成本的吸附剂或催 化剂(≤$10/lb)时，一种解决方法是提高该活性层的厚度。然而，再 增加昂贵的材料会阻碍该过程的竞争性。

Gaffney等的美国专利号5285060描述了用于从空气中分离氮气以 制备氧气的大批分离过程。用5～80％的惰性材料稀释具有较高吸附热 的吸附剂的活性相以降低温度变化并提高有效的N₂工作容量。

Ackley等的美国专利号6027548中公开了在一种用于两种类型的 PSA过程的弱的和强的吸附剂的混合物。在大批分离空气以制备O₂时， 通过混合对N₂具有较高选择性和较低选择性的吸附剂，降低了不利的 温度变化和温度梯度。

Fuderer的美国专利号4499208涉及用惰性密相氧化铝掺杂的活性 碳和当从包含H₂、CO₂、CO和CH₄的进料流中在高压下吸附CO₂时 降低的温度变化。

已经使用细颗粒和粗颗粒的混合物来降低颗粒间空隙空间，提高 吸附剂密度并提高气体存储容量。Kaplan等(欧洲专利申请号0325 392)提供了这种方法用于使用碳分子筛(CMS)吸附剂用于空气的动 力学分离制备N₂的PSA系统的一种实施例。Fleming等的美国专利号 4762537涉及一种复合吸附剂，由50～95wt％氧化铝和5～50wt％Y 型沸石凝聚而成，其配比用于去除气体混合物中100ppm或更少的 HCl。

Heinze等(美国专利号3773690)公开了一种无粘结的复合吸附剂 及其制备方法，该吸附剂包括X型和A型沸石的混合物。

设计了一种吸附剂和催化剂颗粒的混合物用于在变压反应器 (PSR)中结合反应和分离的过程(Alpay等，“Combined Reaction and Separation in Pressure Swing Processes”，Chem.Eng.Sci.49，5845-5864， 1994)。

现有技术主要针对高浓度(＞1000ppm)的污染物的大批分离或净 化，其中通过降低便热和/或温度的负面作用来激发吸附剂混合物的应 用。现有技术中从气流中吸附高浓度通常导致形成平衡区和传质区 (MTZ)，如本领域技术人员所公知的那样。饱和的平衡区比MTZ 中可以达到的表现出更高的污染物容量。这种有效的过程力求达到的 整个床或层厚度为MTZ尺寸的几倍，以使吸附剂的产量最大化 (Wankat，P.C.，Large-Scale Adsorption and Chromatography，Vol.1， pgs 50-60，1966)。现有技术为了达到这种产量提高的策略包括通过使 用更小的吸附剂颗粒来减小MTZ或提高整个床的长度。现有技术中对 使用包含吸附剂或混合物的薄层来去除痕量污染物关注很少。

因此需要提供在相对较薄的层中使用高选择性的昂贵的材料用于 净化具有较低含量的污染物的进料气流以制备高和超高纯度(UHP) 产物气体的能力。