[发明专利]变压吸附法

说明书

技术领域

本发明涉及通过变压吸附从流体中富集至少一种组分的方法。

背景技术

借助于固体材料分离液体或气体物质混合物已经在商业上和工业上针对多种应用实施了几十年。沸石因其突出的选择性而正在被越来越多地使用。

沸石通常被应用于载体。颗粒、模制体或膜的使用是现有技术。与沸石一起制备吸附作用复合材料的惰性固体或聚合物适合作为粘合剂。

在EP0773829中描述了这种类型的复合材料的例子。在这里孔径为5.5～6.2埃的疏水性分子筛作为选择性吸附介质以40:1～1:40的比率嵌入到原纤化（fibrillated）的聚四氟乙烯（PTFE）或吹制的微纤维（聚酰胺、聚酯、聚氨酯、聚烯烃等）中。该加工借助于液体润滑剂发生。对面团状物质进行双轴压延，借此在干燥后最终制备多孔膜，其孔隙率可源自润滑剂的量。类似的复合材料在专利US4153661、US4460642和US5071610中进行了描述，这些专利同样地描述了基于用于添加吸附剂或催化有效颗粒物质的PTFE的多孔纤维膜。

PTFE特别适合作为基质聚合物，因为其可以被原纤化、是热稳定、化学惰性且疏水性的，即其可以被加工以形成稳定的且高度柔性的纤维绒（fibre fleece），可在-250至+260℃的工作温度范围内使用，既不吸收水也不可溶；此外，PTFE对于酸和碱液（lyes）很大程度是惰性的。PTFE是部分结晶的，并可在高于19℃的相转变温度被原纤化，即通过对分散体（dispersion）中包含的PTFE粉末或PTFE球施用剪切力，材料中包含的微晶可以展开形成细丝（在30℃以上可以更好地观察到该效果，该温度是PTFE发生第二相转变的温度）。这些细丝在最佳情形中仅几个分子层厚，使用适当的加工技术能够向填料周围延伸、嵌入并保持大量的填料，由此获得高等级交联的、高度填充的PTFE填料复合物。而且，聚合物纤维在剪切过程中彼此钩挂和成环，且这对复合材料提供一定程度的机械稳定性。然而，加工成膜和模制体的能力可受根据填料所需的强变形力大大阻碍，且这就是为什么已证明只要可能最好使用促进加工工艺、支持原纤化并防止纤维由于过度剪切而过早破坏/撕裂的润滑剂（水、醇、原油馏出物、烃和其它溶剂）。在成形之后，通常通过加热去除添加的溶剂，由此保持额外限定程度的孔隙率。利用任选的PTFE材料在约330℃，但低于360℃（开始分解）的烧结工艺，复合材料获得其最终的稳定性和形状。

这些复合材料的应用领域的例子是膜方法，使用所谓的混合基质膜（MMMs）进行的渗透蒸发或蒸汽渗透，还包括各种吸附方法，例如所谓的固相萃取（SPE）或干燥方法。

固相萃取应被理解为表示流体与固体相之间的物理分离过程，待被分离和分析的组分被溶解于液体或气体溶剂中。例如，SPE具有在分析或制备色谱（例如高效液相色谱HPLC或气相色谱GC）中的应用。

对于干燥方法，通常使用由吸附材料组成的块体（bulk），该吸附材料在流体流经块体时吸附水。最有名的例子是借助于亲水性沸石3A、4A、5A或13X对乙醇脱水。

从EP0773829已知，也可以吸附来自流体即来自液体或气体的有机组分。

为随后以富集形式即更高度浓缩或纯的形式提取组分，有机组分须被解吸附。对于解吸附存在下列可能性：

首先，吸附的组分可通过其他组分排逐。然而，这个方法的缺点是，解吸附后吸附装置装载有用于排逐的组分，所以需要其它步骤以便去除后者。

第二，可增加吸附装置的温度，直到吸附的组分热解吸。在EP0773829中提及这个可能性。然而，这个方法的缺点是，随着吸附器柱的大小增加，通过吸附器壁引入热量变得越来越难，因为壁表面与体积的比率变得越来越低，因此较为不利。由于气体的低热容量，利用例如热冲洗气体的吸附装置的加热也与冲洗气体的非常大的体积流量相关。此外，通过该所谓的变温吸附法（TSA），通常不能实现短的循环时间，因为加热和冷却会持续很长的时间。

第三个可能性是所谓的变压吸附法（PSA），其中通过减小压力使吸附的组分解吸附。这个方法的优点是，压力在整个吸附柱中下降得非常快速和均匀，然后可被再次升高。这使得很短的循环时间成为可能。短的循环时间使得可以减少所需的吸附装置的量，使得吸附器柱可具有明显较小的尺寸。这不仅减少用于吸附装置的成本和用于柱的投资成本，还减少吸附单元的操作成本，因为在气体物质混合物流经吸附器块体时，较短的吸附器床还引起较小的压力损失，而这必须通过泵或压实机来克服。