CN1128653C - 变压吸附进行气体分离的多层吸附床 - Google Patents

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Abstract

本发明包括一种PSA方法和设备，其中固定吸附床包括一个平衡区和一外传质区。进一步说，平衡区和传质区的每一个中都含有至少一种吸附剂，选择吸附易选择吸附组分，吸附材料是根据在所述区域的过程条件下的吸附材料性能选择的。

Description

变压吸附进行气体分离的多层吸附床
本发明涉及一种变压吸附(PSA)方法和设备，更具体地说，涉及在PSA方法和系统中使用高性能吸附剂，这些吸附剂以新的方式分层配置.
在需要高纯度O2、N2和/或Ar的情况中，冷冻方法已支配了空气分离许多年。近年来，膜方法和吸附方法在经济上变得更重要了。特别是PSA，包括在高于大气压的吸附/解吸方法、低于大气压的变真空吸附(VSA)和跨大气压的真空变压吸附(VPSA)方法，在现有技术中是已知的。这些方法通常用于生产纯度为90-95％的氧气。在不同工业领域中对这一纯度氧气的需求在增加，如在钢铁制造、玻璃制造和纸浆和纸张的生产中。使用这种吸附方法的单个装置的氧气生产能力现在超过了每天100吨所含的O2(TPDO)，需求在继续增加，甚至要求更高的生产能力。尽管对于较大的生产能力来说，规模的经济性目前有利于采用冷冻方法，但在这些生产和纯度水平下，吸附方法的O2产品成本低于冷冻方法。即使如此，对于扩大空气分离的吸附方法的生产范围从经济的角度来看是继续鼓励的。这必须通过改进性能同时降低能耗和投资成本来实现。
生产O2的常用吸附系统包括一个或多个吸附容器，吸附容器中盛有一层用来除去大气污染物的预处理吸附剂，预处理吸附剂之后是主吸附剂。预处理吸附剂可以是能有效地除去H2O和CO2的任何材料，如沸石、活性氧化铝、硅胶、活性炭和其它类似吸附剂。主吸附剂材料选择吸附N2，通常选自A型或X型沸石，通常占容器内吸附剂总体积的至少90％。尽管开发了许多生产O2的不同吸附循环，但所有变压循环都包括四个基本步骤，即加压、吸附、减压和解吸。当使用多个床时，为了维持恒定的产品流量，将床排序以进行不同的循环步骤。这种方法的许多例子中的一个是Batta的US3,636,679，其中描述了这些基本特征。
在过去的三十年之中，对空气分离的各种PSA、VSA和VPSA方法进行了有意义的研究，大的进展是在最近十年里取得的。这些方法的工业化和生产范围的继续扩大主要是由吸附剂和过程循环的改进取得的，而吸附器设计方面进展的贡献比较小。高度交换的锂分子筛吸附剂是用于O2生产的先进的吸附剂的代表，如Chao在US4,859,217中描述的吸附剂。吸附剂和过程循环研究的历史综述可以在Kumar(Sep.Sci.and Technology，1996)中找到。
与选择吸附N2的先进吸附剂相关的N2/O2选择性和N2工作容量的提高基本上决定了O2回收率和能耗以及床的尺寸因子(BSF)降低方面的改进。然而，这些吸附剂通常具有较高的吸附热，更难于生产，可能具有较差的传质特性，所有这些都导致了较高的吸附剂成本。尽管开发了许多新吸附剂，声称具有改进的空气分离性质，但仅有几种在工业上是成功的。因为工艺性能是以吸附剂的平衡性质和等温工艺条件为基础设计的，所以先进的吸附剂经常失败或达不到预期的目的。
Collins在US4,026,680中指出，绝热操作会强化在吸附床入口区的热影响。特别是他指出在吸附床入口端存在一个“急剧下降的温度区”(以后称之为“冷区”)。这一区域的温度比进料气体的温度低38℃(100°F)之多。这一区域导致了沿吸附床长度的温度梯度，这一梯度接近于同一值，例如38℃(100°F)。Collins认为这一
冷区是由于在床入口端的“被疏忽的热再生步骤”与过程的吸附/解吸步骤产生的热循环结合引起的。这一再生效果部分地是由于在主吸附剂之前的预处理区域中吸附水和二氧化碳引起的。
在绝热过程中产生的热循环引起了不利的温度变化，即吸附步骤在高于解吸步骤的温度下进行。这一温度变化趋向于提高吸附物/吸附剂的吸附热和提高吸附与解吸压力比。床温的这些梯度和变化导致了吸附床的各部分在不同的温度下操作。在这样宽的床温范围内，任何特定吸附剂的N2/O2选择性和N2工作容量都不可能有效地利用。当操作条件，如环境温度改变时，随温度强烈的变化吸附剂动态性质也会使过程不稳定。
自从Collins之后，人们对消除或减少绝热吸附床冷区给予了相当大的关注。早期的建议包括使用外部加热或部分旁通进料压缩机后冷却器来提高进料温度。
为了这一目的，Collins提出使用延伸穿过床长的导热棒或板。另外有人发展了这一思想，用充满液体的中空管代替棒或板在吸附器的热产品端和冷进料端之间提供热传导。例如，在Fraysse等的US5,520,721中，通过在预处理和主吸附剂之间的通道中提供热流通，冷区温度从-70℃提高到约0℃。所有这些方法的主要目的是通过直接和/或间接换热提高吸附器进料口附近的最低温度。当加热进料时，随冷区温度的提高，整个床的温度也提高了，然而，床中温度的总梯度相对未受影响。
另一种使吸附剂与温度相匹配的方法对所需分离是最有效的。作为这种技术的例子是将吸附剂床划分为几层，通过使用埋入的换热器使每一层保持在不同温度下并明显分开。
Armond(EP 0512781)声称使用两种未特别指明的，分别在-35℃至-45℃和在环境温度下能高效除去N2的吸附剂，抑制冷区的影响。低温材料放置在进料口附近(但在预处理吸附剂的下游)，往后再放置第二种材料。
用于生产O2的，包括至少两层的主吸附剂由Watson等人公开在US5,529,610中。Watson指出，在市场上买不到能在存在于床的主吸附区的大温度梯度上(例如100°F)优化地起作用的吸附剂。在床的最低温度区域选择占据总吸附剂体积20％-70％的NaX沸石，因为它在这一温度范围内具有低容量和高选择性。第二层优选CaX沸石，尽管也提出了在这一区域使用其它高容量高选择性吸附剂。
Leavitt等人的待审专利SN08/546,325公开了一种分层床，其中吸附剂按床中特定温度的优化吸附灵敏值(AFM)选择。这一灵敏值指数是由吸附剂的平衡性质计算的。按上述教导，Leavitt指出应当在吸附器中建议大的温度梯度(如70°F)。
Reiss在US5,114,440中提出了一种从空气富集O2的VSA方法，在主吸附剂中使用了两层或三层具有不同N2容量的CaA沸石。CaA吸附剂是这样安排的，N2容量最小的置于进料口附近，而最高的置于产品端附近。与盛有相同N2容量CaA的吸附器和在进料口附近盛有NaX在产品端盛有CaA的吸附器比较，分层CaA吸附器的能量消耗较低。
日本申请4-293513提出，在VPSAO2生产中，在变化的环境温度下(-10℃至40℃)，通过使用由等体积CaA和CaX沸石组成的分层主吸附剂床，与盛有两者中单独一种吸附剂的吸附器相比，能改进操作的稳定性(在床的尺寸因子(BSF)、能耗和最终解吸压力的变动性较小)。CaA沸石置于进料端附近，其后置有CaX吸附剂。
为了降低产品O2的总成本，也提出了多吸附剂床层。一种这样的方法公开在US5,203,887(Toussaint)中，其中用成本较低的NaX取代最靠近产品端的主吸附剂部分的LiX吸附剂。除这种主吸附剂的两层设置外的另一选择是在LiX与吸附器进料口附近的预处理层之间设置第三层(NaX)。
因此，现有技术集中于通过换热元件和/或通过选择用于床的低温区的适当吸附剂以减缓低温冷区的不良影响。在有大的床温梯度10-38℃(50-100°F)存在时，将吸附剂分层作为一种改进分离效果的方法已被提出。尽管建议的多数冷区吸附剂是NaX和CaA沸石，但是已推荐各种吸附剂用于除冷区外的区域。
因此，本发明的一个目的是提供一种PSA方法和设备，通过使用先进的吸附剂以改进PSA空气分离过程的效率、降低成本和扩大生产范围。
本发明的另一目的是提供一种PSA方法和系统，其中没有冷区，因此，其温度梯度相应较小，例如小于约10℃(50°F)。
本发明的再一目的是提供一种PSA设备，其中不需向吸附器添加或从吸附器中除去热量的装置。
本发明包括一种PSA方法和设备，其中固定吸附剂床包括一个平衡区和一传质区。进一步说，平衡区和传质区都包括至少一种选择吸附易选择吸附组分的吸附剂材料，它是根据应用于所述区域的过程条件下吸附材料的性能选择的。
在优选方案中，用于平衡区的至少一种吸附剂材料是根据所述吸附剂材料对两组分或多组分气体混合物的绝热分离因子选择的。
在另一优选方案中，用于平衡区或传质区的至少一种吸附剂材料是根据所述吸附剂材料对两组分或多组分气体混合物的绝热分离因子选择的。
在另一优选方案中，用于平衡区或传质区的至少一种吸附剂材料是根据吸附或解吸期间的至少一步中的不同气体组成选择的。
在再一优选方案中，用于传质区的至少一种吸附剂材料，在应用于所述区域的过程条件下，对易吸附材料具有比较高的绝热分离因子，对不易吸附组分具有比较低的绝热δ负荷。
在另一优选方案中，气体混合物是空气。
应当注意，在这里所使用的术语“工作容量”、“动态容量”和“δ负荷”是可以互换的。为了本发明的目的，这些术语表示的性质是在绝热条件下测定的。
通过下面对优选方案的描述并参考附图，本发明的其它目的、特征和优点总方将呈现在本领域的技术人员面前。
图1是本发明一个方案的流程图，其中示出了固定吸附床的整体结构；箭头表示在吸附期间气体流经床的方向；
图2a是在吸附和解吸结束时跨越吸附床的温度曲线；
图2b是在吸附和解吸结束时跨越同一吸附床长度的氧负荷曲线，以mmol/g计；
图3和5是一系列吸附剂的绝热分离因子变化对床温(温度是在吸附结束时测定的)的曲线，压力比(吸附压力：解吸压力)为5；
图4是一系列吸附剂的绝热氮工作容量变化(例如绝热δ氮负荷)对床温(温度是在吸附结束时测定的)的曲线；
图6a示出了一系列吸附剂的δ氧负荷变化与吸附床的传质区中氧含量的函数关系的曲线；
图6b示出了一系列吸附剂的绝热分离因子变化与吸附床的传质区中氧含量的函数关系的曲线；
图7是一系列吸附剂的绝热分离因子变化对床温(温度是在吸附结束时测定的)的曲线，压力比(吸附压力：解吸压力)为3。
本发明提供了一种高效、低成本、生产范围大的PSA、VSA和VPSA空气分离方法，以生产纯度为约90％-95％(体积)的氧气，其中使用了先进的吸附剂。本发明中的一个重要因素是认识到了通过使用这样一种先进的材料使得吸附器内的温度梯度，约1-2℃(34-36°F)比现有技术所公开的梯度，通常是约38℃(100°F)小得多。按照本发明，如果在平衡区和传质区的主要温度和进料气体组成下，根据绝热选择性和绝热工作容量选择吸附剂，并在吸附床的这些区域分层，则能改进PSA性能。这与现有技术完全不同，在现有技术中吸附剂是根据它们在特定温度下的平衡性能和在吸附床中高温度梯度下的观察选择的。
此外，在本发明中，由于吸附剂是有选择的，因此，在吸附器中没有冷区，不需现有技术中额外的高成本装置向吸附器中添加或从吸附器中除去热量。包括含有混合阳离子的吸附剂在内的几种Li交换型X吸附剂能得到这一结果。
现有技术在提高吸附剂对重组分(N2)的容量方面给予了很多的关注。此外，已认识到为使回收率最大减少轻组分的共吸附也是很重要的。对于某些吸附剂，轻组分的共吸附在低温下(如＜270K)变得更加明显。
然而，现有技术没有认识到大部分共吸附轻组分含于吸附床的特定区域内，如传质区内。所以，当循环时间缩短时，由于传质区的固定尺寸占总床尺寸的较大比例，轻产品的回收率会降低。本发明完全不同于现有技术，在选择吸附床的吸附材料时考虑到了所有这些因素：温度、氧气的共吸附、和传质区。
如图1所示，本发明可以通过将吸附床1中的吸附剂设置为三个明显的区域来完成：预处理区2，平衡区3和传质区4。后两个区域3和4的吸附剂根据在每一区域内的主要温度和组成条件下的绝热选择性和绝热工作容量选择。此外，由于本发明，可以减少O2的共吸附，特别是在传质区内。
在工业级O2生产过程中使用的仅含有高度交换LiX吸附剂的吸附器的典型温度分布如图2a。在吸附结束时，在主吸附剂中的总温度梯度小于16°K(29°F)。这一实例对于选择吸附N2的高性能吸附剂(如LiX)是具有代表性的，其中没有明显的冷区，整个床是在中等温度梯度下，如小于38℃(50°F)操作。平衡区的理想吸附剂是在所需的温度和压力操作范围内具有高绝热N2/O2选择性、高绝热N2动态容量和良好热稳定性的吸附剂。
在吸附和解吸步骤结束时，在主吸附剂中的O2负荷分布如2b。这两种分布的差(图2b中的阴影面积)代表实际绝热过程中的O2共吸附量或绝热动态O2容量。这一共吸附O2在解吸步骤中与废N2一起大量损失掉了，是影响该过程O2回收率的主要因素，从而影响了过程的效率。从图2b可以明显看出，40％-60％的共吸附O2含于传质区内。因此，适合于传质区的吸附剂应在高温和O2浓度的区域内具有高N2/O2绝热选择性和低绝热动态O2容量(如低绝热δ氧负荷)。
因为现有技术是根据在平衡条件下估计的影响选择主吸附剂，因此，实际上是将整个床作平衡区处理，与真实过程相比，大大低估了共吸附O2量。此外，在选择吸附剂时，现有技术没有考虑发生在吸附和解吸条件之间温度的不利变动。再者，现有技术教导使用不同的吸附剂以在吸附床的非常大的温度梯度下优化效率，事实上，而通过实施本发明这一梯度可以大大减少。
本发明认识到应当将主吸附剂划分为平衡和传质区，根据其在每一区域的不同条件下的绝热选择性和绝热工作容量来选择吸附剂，与现有技术的系统相比，按照本发明设置吸附剂提高了O2的回收率和生产率，同时降低了BSF和能耗。
如上面所述，按本发明方法将吸附剂设置为三个明显的吸附区，如图1所示。在每一区域中可以含有一种或多种吸附剂。预处理区2最靠近进料口，其目的是从进料物流中除去任何不希望的污染物。在空气分离中典型的污染物是水和二氧化碳。本领域内的技术人员可以理解，在预处理区使用沸石、活性氧化铝、硅胶、活性炭以及其它任何适当的吸附剂是合适的。平衡区3和传质区4含有选择吸附进料中主要重组分的吸附剂。这些是主吸附剂。
对于平衡区3和传质区4中主吸附剂的选择，吸附剂的评估方法是重要的。目的是评估吸附剂在实际过程条件下的分离特性。这是通过按方程式(1)确定绝热选择性(如分离因子)和绝热工作(如动态)容量完成的。在下面以二元空气进料为例。 α = Δ N 2 Δ O 2 = L N 2 ( Y i , P H , T 1 ) ads - L N 2 ( Y i , P L , T 2 ) des L O 2 ( Y i , P H , T 1 ) ads - L O 2 ( Y i , P L , T 2 ) des
在方程式(1)中，吸附物的量或负荷(Li)是在吸附和解吸步骤结束时，在各个区域的温度(T1，T2)，压力(PH，PL)以及组成(Yi(以摩尔分数计))条件下估计的。在方程式(1)的分子和分母中的各项分别代表重(N2)和轻(O2)组分的绝热工作容量。这一估计可以使用任何合适的多组成等温模型来完成，如Yang在 Gas Separation by Adsorption Processes(1987)中建立的负荷比关系。本领域的技术人员可以理解，应用这一模型需要吸附剂和感兴趣的气体组分的代表性数据。
例如，温度变化(T1-T2)必须通过实验或绝热过程模拟来确定(参看图2)。然后，应用方程式(1)确定分离因子随平衡区温度的变化。在图2-6所示的实例中，所使用的吸附(PH)和解吸(PL)压力分别为1.5巴和0.3巴。
此外，在本发明优选方案中使用的高度锂交换形沸石X包括具有SiO2/Al2O3摩尔比不大于3骨架的沸石X，其中至少88％的AlO2四面体单元与锂阳离子缔合，优选至少95％的所述AlO2四面体单元与锂阳离子缔合。进一步优选的是所述锂交换是约95％至约97％，或更高。这种特殊的吸附剂材料包括SiO2/Al2O3摩尔比为2.0-2.5的其它材料。这些吸附剂已详细公开在Chao的US4,859,217中。
参看图3，根据在吸附步骤结束时的床温确定了CaA(5A MG中级))、NaX(13X)、LiX(SiO2/Al2O3＝2.3)和LiX(SiO2/Al2O3＝2.0)吸附剂的绝热分离因子。
图4示出了这些吸附剂的绝热N2工作容量。
从图3和4的结果可以明显看出，与常规的CaA和NaX吸附剂相比，LiX吸附剂的绝热N2工作容量大至两倍，绝热选择性将近1.5倍。就此而论，当床温大于270°K时，LiX吸附剂对平衡区是特别优选的材料(比较中的)。此外，在这一温度范围内LiX吸附剂的中等选择性变化意味着良好的过程稳定性(如绝热分离因子随温度的变化最小)。
进一步说，图2a表明在吸附步骤结束时LiX(2.3)吸附床的温度在例如300°K和320°K之间。从图3可以清楚地看出，在同一温度范围内，LiX材料的分离因子明显高于NaX和CaA。所以，在床中平衡区的任何位置分离是最大的。因此，与现有技术比较，不需使用附加的换热装置来改变床温或梯度。
图3和4表明，NaX在低于270°K的温度下具有优良的绝热选择性和绝热N2工作容量，然而，由于随温度的升高分离因子持续下降，其热稳定性低下。
在图5中对其它几种吸附剂的绝热分离因子随温度的变化与LiX(2.0)进行了比较。CaLiX吸附剂(Ca小于30％)也有希望用于平衡区，特别是床温高于300°K时。这一高Li含量的吸附剂由Chao等人描述在US5,174,979中。与LiX(2.0)相比，CaLiX(2.0)的绝热N2工作容量稍高，与CaLiX(2.3)相比则低20％-40％。在高于320°K的温度下，CaLiX(2.0)材料具有较好的热稳定性，而CaLiX(2.3)具有较高的绝热选择性。
进料气体组分的吸附发生在传质区，因此，这是一个气体组成连续变化的区域。在许多吸附过程中，传质区快速形成并以恒定的速率经过吸附剂。根据适当的操作条件结合选择和设置吸附剂，使得重组分优先于轻组分被截留，从而实现所需的分离。
在传质区中，轻组分的纯度从区域尾部的进料浓度升高到区域前沿的产品浓度。为了维持可接受的产品纯度，通常在床的产品端的传质区被穿透之前停止吸附步骤，正如Batta在US3,636,679中所描述的一样。
在吸附步骤结束时，最靠近进料端的吸附剂部分与进料组成、温度和压力达到平衡。事实上，靠近产品端的吸附剂的剩余部分正好包括传质区。
上述条件反映在图2b中，其中平衡区和传质区十分明显。如图所示，在分离空气的情况下，在吸附步骤结束时，很大一部分潜在的O2产品截留在传质区。如果按本发明技术选择吸附剂，即选择绝热O2工作容量最小，但N2/O2选择性高的吸附剂，使截留的O2最少，则过程的效率将得到改进。
传质区的吸附要求与在平衡区明显不同。在平衡区之中，希望尽可能多地除去和排出重组分，而使轻组分的吸附量最少。为了分离空气，在平衡区N2/O2组成比为4∶1的进料对分离是有利的。这一优点在传质区就丧失了，因为进料中O2的摩不分数从0.21升高了0.9，即由于O2的浓度超过了N2，其吸附大大提高了。因此，在传质区中，高绝热N2工作容量不如低绝热O2工作容量重要，但是，为了维持高产品纯度和使传质区的尺寸最小，高绝热N2/O2选择性是很重要的。从图2可以推断，在这一区域中温度的变化小，而且远不如气体组成的变化重要。特别适合于传质区的吸附剂可以通过方程式(1)和这些标准来确定。
如图6a和6b所示，确定了七种吸附剂的绝热分离因子和绝热O2工作容量与O2摩尔分数的函数关系。这一估计是在吸附步骤结束时在320°K的温度下，与易变的温度变化(例如，如图2所示，在传质区中，温度的变化随O2摩尔分数上升高而下降)一起进行的。吸附和解吸压力分别为1.5巴和0.3巴。
从图6a可以明显地看出，LiX(2.3)、CaLiX(2.3)、CaA和NaX与LiX(2.0)比较在整个传质区具有较低的O2截留量。因为LiX在平衡区是优选的吸附剂，所以，与两个区域都含有LiX(2.0)的吸附器比较，这些材料中的任何一种代替到传质区都可以得到改进。
然而，为了使传质区的尺寸最小，必须维持高绝热N2/O2选择性。如图6a和6b所示，CaLiX(2.3)最好地满足了低绝热O2工作容量和高绝热选择性的传质区标准。对于传质区来说，相对于LiX(2.0)，这一吸附剂的性能是优良的。与之相反，如图6b所示，NaX和CaA的绝热分离因子明显低于其它吸附剂。所以对于传质区NaX和CaA不是好的选择。与LiX(2.0)比较，LiX(2.3)具有较低的绝热O2工作容量和稍低的性。也可以预见，在传质区使用这一吸附剂而在平衡区使用LiX(2.0)，与在两个区域都使用LiX(2.0)相比，能得到改进。相对于LiX(2.0)，CaX(2.0)和CaNaX(2.0)具有高的绝热O2工作容量和低的绝热分离因子，与传质区中希望的性质正好相反，因此，不应使用。
上面描述的方法和实例提供了一种选择用于吸附器平衡区和传质区最有效的吸附剂的方法。可以预见，这样的选择能满足改进过程性能的目的。为了证实这一预见，使用计算机模型来模拟平衡区和传质区不同吸附剂设置的VPSAO2过程。从这些模拟中确定O2回收率和产率、能耗以及BSF。
实施例
研究含有LiX(2.3)或LiX(2.0)的不分层吸附器以及在平衡区含有LiX(2.0)，而在传质区含有LiX(2.3)或CaLiX(2.3)的分层吸附器。在所有吸附器中吸附剂的总量相同。为了实现这一实施例的目的，分层床传质区的吸附剂占主吸附剂体积的25％，相当于在类似的条件下操作的不分层LiX吸附器的估计传质区大小。
过程条件包括摩尔通量约17摩尔/m2·秒的进料，1.5巴的进料压力，21℃(70°F)的环境温度，0.3巴的最终解吸压力。所使用的基本VPSA循环包括、压力平衡、抽空、吹扫和用进料再加压。模型代表一个双床系统(额定生产能力60TPDO)，两个床平行操作，相互在不同的阶段。使用60秒的额定循环时间，为了将O2产品纯度维持在90％，在不同试验情况之间循环时间可以稍微变化。各种构型的过程性能以仅含有LiX(2.3)的吸附器的性能为标准进行规范。结果在下表中进行比较。
LiX(2.3) LiX(2.0) LiX(2.0)+LiX(2.3)75/25 L1X(2.0)+CaLiX75/25
O2回收率 1 1.01 1.05 1.07
O2产率 1 1.01 1.05 1.07
BST 1 0.96 0.94 0.92
能耗 1 0.99 0.97 0.95
不分层LiX(2.0)的工艺性能相对于LiX(2.3)的小有改进，这与图3和4中的在300-320°K下的绝热分离因子和绝热N2工作容量的预测是一致的。LiX(2.0)的BST较低是由于这一吸附剂具有较高的绝热N2工作容量造成的。与于LiX(2.3)不分层吸附器比较，LiX(2.0)和传质区的LiX(2.3)的分层构型使O2的回收率和产率提高了5％，使BSF降低了6％。LiX(2.0)/CaLiX(2.3)结合更好，O2的回收率和产率提高了7％使BSF降低了8％。在所有的情况下，由于提高了O2的回收率使能耗降低了。应当注意，在上面的实施例中，尽管在两个主吸附剂区的每一个中只描述了一种吸附剂，但本发明不限于这种构型。
吸附领域内的技术人员可以理解，平衡区和传质区的相对尺寸随要分离的组分、过程条件和吸附剂性质而改变。因此，本发明不限于给定分离形式的两个区域的吸附剂的固定比率。与此相反，吸附剂的比率与在吸附步骤结束时存在的平衡区和传质区的尺寸比率相同。估计每一区域尺寸的方法在本领域内是已知的。例如，可以使用过程模拟和图2获得的结果。
在一发明的实施中，可以想象，在平衡区内分层设置几种吸附剂可以提供优化的绝热选择性和绝热N2工作容量，这取决于区域内的温度条件。为了降低传质区内的总绝热δ氧负荷，按轻组分在这一区域内的浓度梯度将吸附剂设置成不止一层是优选的。当要分离的组分多于两个时，可能需要不止一个主吸附剂，即，为了实现每一组分的分离，每一主吸附剂区都可以由一个平衡区和之后的传质区组成。
本发明的另一特征是选择吸附剂以在小，如约-1℃(30°F)至中等，如约1.7-10℃(35-50°F)温度梯度下改进重组分的去除效率。一方面，这种吸附剂通常对重组分具有较强的亲合力，具有较高的吸附热和较大温度变化。另一方面，强的吸附剂在低的吸附/解吸压力比下操作比弱的吸附剂在高的压力比下操作能得到较高的分离效率。低的压力比有利于降低温度变化并使温度梯度较小。尽管给出的实施例在压力比为5.0时具有中等的床温梯度，但在较低的压力比下可以得到较低的梯度和温度变化。较低的压力比我们是指：在低大气压和跨大气压下为约1.4至约4，在高于大气压下为约1.4∶1至约2.5∶1。
为了按上面说明的方式设置吸附区，在低吸附/解吸压力比下，重复说明吸附剂的评估和选择。作为非限制性的实施例，在图7中，比较了在压力比为3时(PH＝1.5巴，PL＝0.5巴)的几种吸附剂的分离因子。这一比较应用于图5中相同吸附剂在平衡区的条件。
如图7所示，在较低的压力比下，这些吸附剂的分离因子下降，但各种吸附剂的相对性能维持在图5所示的同一水平上。对于传质区也获得了类似的结果。因此，尽管在某些情况下，应用的温度范围会发生小的漂移，但对于这一组吸附剂，在较低的压力比下，两个区域的吸附剂选择维持不变。
在280K-320K的床温范围内，含有高度交换LiX和混合离子LiX吸附剂的分层床改进了VPSAO2生产效率和热稳定性。然而，如环境温度这样的条件极端时，可以在这一床温范围之外强制操作。在这种情况下，可以在平衡区单独使用其它吸附剂，或与LiX(2.0)或LiX(2.3)一起使用。例如，在较高的温度下操作时，在平衡区中床温低于320K那一部分使用一层LiX吸附剂，接着在较高温度下使用一层一种CaLiX混合离子吸附剂，正如图5和7所建议的。
当靠近床的进料端的温度低于270K时，图3所示结果建议在平衡区使用NaX吸附剂，接着用LiX。在平衡区中NaX吸附剂的量必须保持为一最小量，少于主吸附剂体积的15％，优选小于10％，这因为这一吸附剂的热不稳定性所致。平衡区中NaX所占比例过大时，可能导致冷区的进一步放大，并形成现有技术中常有的深冷区。
最后，其它高度锂交换吸附剂(各种仅含有Li的和混合离子的)也可以用于空气分离。可以预料，按本发明分层设置这些吸附剂可以大大改进这些吸附剂的处理效率。这些吸附剂的例子公开在Chao等人的US5,174,979中。其中有许多这种例子。
当循环时间小于约2分钟，纵向床厚小于约1.8m(6英尺)，传质区占总吸附剂床尺寸较大比例时，本发明是特别合适的。进一步说，应当理解，本发明的分层概念同样可以很好地应用于轴向流动、径向流动、侧向流动以及其它类似固定床设计中。本发明的各种方案可以使用高至约1或约2巴的吸附压力，和约0.25至约1.0巴的解吸压力。
为方便起见本发明的具体特征示于一副或多副附图中，按照本发明，这些特征可以与其它特征结合使用。本领域的技术人员可以考虑到其它方案，但都包括在本发明的范围内。

Claims (8)

1.一种从含有不易选择吸附组分的气体混合物中分离易选择吸附组分的方法，其中气体混合物与含有选择吸附易选择吸附组分的吸附材料的固定吸附床接触，包括以下循环步骤：
(a)吸附，在这一期间，气体混合物流入床中并在高吸附压力下与吸附剂接触，选择吸附气体混合物中的易选择吸附组分，从床的排出端回收不易选择吸附组分；和
(b)减压，在这一期间，中止气体混合物的输入，使床中的压力从高吸附压力降低到低的解吸压力，从床中解吸并回收易选择吸附组分；(a)和(b)的循环操作在所述吸附床中产生了一个温度梯度；和
其中所述固定吸附床包括一个平衡区和传质区，其中平衡区和传质区含有至少一种吸附材料，选择吸附易选择吸附组分，吸附材料是根据在所述区域的过程条件下的吸附材料性能选择的；
其中在传质区的过程条件下，为所述区域选择的至少一种吸附材料对易吸附材料具有较高的绝热分离因子，对不易吸附组分具有较低的的绝热δ负荷；
其中在平衡区的过程条件下，为所述区域选择的至少一种吸附材料对易吸附材料具有较高的绝热分离因子，对易吸附材料具有较高的绝热动态容量。
2.权利要求1的方法，其中为传质区选择的吸附材料是CaLiX，为平衡区选择的材料是LiX。
3.权利要求1的方法，其中平衡区的吸附材料是氧化硅/氧化铝比率为2.0的LiX，传质区的吸附材料是氧化硅/氧化铝比率为2.3的LiX。
4.权利要求1-3中任何一项的方法，其中所述吸附床进一步包括一个预处理区。
5.权利要求4的方法，其中处理区含有一种选自沸石、活性氧化铝、活性炭和硅胶的材料。
6.权利要求1-5中任何一项的方法，其中所述气体混合物是空气。
7.权利要求1-6中任何一项的方法，其中所述易选择吸附是氮，不易选择吸附组分是氧。
8.权利要求1-7中任何一项的方法，其中所述固定床选自轴向流动床、径向流动床和侧向流动床。
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