变压吸附分离溶剂水二元共沸物的吸附分离工艺的制作方法

本发明涉及共沸物的吸附分离工艺领域，尤其涉及变压吸附分离溶剂水二元共沸物的吸附分离工艺。

背景技术：

共沸物是指的当两种或多种不同成分的均相溶液，以一个特定的比例混合时，在固定的压力下，仅具有一个沸点，此时这个混合物即称为共沸混合物。在共沸物达到其共沸点时，由于其沸腾所产生的气体部分之成分比例与液体部分完全相同，因此无法以蒸馏方法将溶液成份进行分离。

已知的上百种共沸物分二大类：与水形成的共沸物(简称水相共沸物)和非水相共沸物。以表1列举的12种常见溶剂二元水相共沸物为例，其构成物的沸点均在85℃以下，而其水相共沸点则低于80℃，含水量各不相同，低至1％高至19.5％。构成这12种熔剂二元水共沸物物质是乙醚、二硫化碳、氯仿、四氯化碳、乙醇、四氢呋喃、乙酸乙酯、苯、异丙醇、丙稀腈、乙睛与二氯乙烷等，都是常见的有机溶剂或用途广泛的化工原料。将这些溶剂水相共沸物与水分离(即脱水)获取无水纯相溶剂是化工中的重要工艺过程。

表1与水形成的二元溶剂水共沸物(水沸点100℃)

分离共沸物的方法有恒沸精馏，萃取精馏，变压恒沸精馏，膜分离及吸附分离等。恒沸精馏，萃取精馏方法需要加入第三种物质，以改变恒沸物的组成和原有的恒沸点，而使原料液能用普通精馏方法予以分离，但必须面临第三种物质与共沸物原有二种物质的分离问题，工艺比较复杂。变压恒沸精馏，膜分离，吸附分离方法的优点虽不需要加入第三种物质，但变压恒沸精馏需要测定共沸物在不同压力下的相图，工作量比较大。对于与水生成的二元共沸物而言，膜分离通常使用的有机高聚物水渗透膜，而有机高聚物对多数有机溶剂抗腐蚀性弱，使用寿命短。为克服上述几种分离溶剂水相共沸物方法的弱点，本发明提出一种变压吸附分离溶剂水二元共沸物的吸附分离工艺。

技术实现要素：

为此，本发明提供一种变压吸附分离溶剂水二元共沸物的吸附分离工艺，可以实现变压吸附应用于溶剂水二元共沸物的分离。

为实现上述目的，本发明一种变压吸附分离溶剂水二元共沸物的吸附分离工艺，其特征在于，步骤1，将共沸物经汽化器加热至高于分离物沸点10-20℃，气化后的分离物经压缩泵加压通过开放的第一阀门进入吸附装置；

步骤2，共沸物中的水被所述吸附装置中吸附床内脱水吸附剂吸附，获取纯度高达99.5％以上的溶剂蒸气，气化后的分离物经冷凝器冷却为不含水的纯相溶剂产物；

步骤3，所述吸附床中脱水吸附剂接近饱和前，关闭所述第一阀门，开启第二阀门，真空泵减压，使吸附剂所吸附的水脱附，脱水吸附剂恢复脱水功能，系统完成第一次吸附到脱附循环；

步骤4，重复步骤1至3，完成生产过程。

进一步地，所述外加热器，设置与所述吸附床下，用于保持所述吸附装置温度。

进一步地，所述吸附装置根据吸附剂的吸附或脱附水的特性来确定吸附床的容量。

进一步地，所述吸附剂为小孔脱水沸石分子筛。

进一步地，所述小孔脱水沸石分子筛为硅铝摩尔比为12，总孔容积0.352ml/g，微孔容积0.330ml/g的ssz-13的分子筛，脱水率可达44.7％，90℃热失重量为9.2％。

进一步地，所述小孔脱水沸石分子筛为硅铝摩尔比为0.2，总孔容积为0.297ml/g，微孔容积为0.260ml/g的sapo-34磷酸铝硅分子筛，脱水率可达22.4％，90℃热失重量为7.4％。

进一步地，所述小孔脱水沸石分子筛为硅铝摩尔比为4.32，总孔容积为22.8ml/g的k-cha(y转晶)分子筛，脱水率可达18.9％，90℃热失重量为3.4％。

进一步地，所述脱水沸石分子筛为硅铝摩尔比为3.34，总孔容积为0.07ml/g的k-cha(高岭土转晶)分子筛，脱水率可达27.7，90℃热失重量为4.4％。

进一步地，所述脱水沸石分子筛为硅铝摩尔比为3.21，总孔容积为0.128ml/g，微孔容积为0.025ml/g的na-k-cha(y-转晶nacl交换)分子筛，脱水率可达17.9，90℃热失重量为3.2％。

进一步地，所述变压吸附分离工艺中吸附、脱附温度，进样量与进样空速，脱附真空度与时间的具体操作参数根据溶剂的沸点、水合共沸物的共沸点以及共沸物的水含量确定。

与现有技术相比，本发明的有益效果在于，本发明提出的变压吸附分离溶剂水二元共沸物的吸附分离工艺是不同于传统的分离气体吸附方式，而是利用特定的小孔脱水沸石分子筛分离溶剂水二元共沸物，同时本发明设置可开启的第二阀门，通过真空泵减压使吸附剂所吸附的水脱附，脱水吸附剂即可恢复脱水功能，实现脱水吸附剂的循环利用。所述小孔脱水沸石分子筛不同规格脱水率不同，本发明提出小孔脱水沸石分子筛的脱水率与总孔容积和微孔容积大小直接相关。

同时本发明设置外加热器，对吸附床进行加热，保持吸附床层温度，高效分离溶剂。本发明工艺中吸附、脱附温度，进样量与进样空速，脱附真空度与时间的具体操作参数根据溶剂的沸点、水合共沸物的共沸点以及共沸物的水含量确定。

附图说明

图1为发明实施例cha型小孔沸石吸附剂结构示意图；

图2为发明实施例小孔脱水沸石分子筛样品xrd谱；

图3为发明实施例用于分离溶剂水合共沸物的变压吸附(psa)分离工艺流程示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的和优点更加清楚明白，下面结合实施例对本发明作进一步描述；应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，并不用于限定本发明。

下面参照附图来描述本发明的优选实施方式。本领域技术人员应当理解的是，这些实施方式仅仅用于解释本发明的技术原理，并非在限制本发明的保护范围。

需要说明的是，在本发明的描述中，术语“上”、“下”、“左”、“右”、“内”、“外”等指示的方向或位置关系的术语是基于附图所示的方向或位置关系，这仅仅是为了便于描述，而不是指示或暗示所述装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

此外，还需要说明的是，在本发明的描述中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域技术人员而言，可根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

请参阅图1所示，一种用于变压吸附分离二元溶剂共沸物的小孔脱水吸附剂，其特征在于，所述小孔脱水吸附剂为cha结构类型小孔沸石分子筛，结构孔径0.38nm×0.38nm，孔容积0.58nm³，骨架硅铝摩尔比为0.2-15，包含硅原子、铝原子,磷原子和氧原子。

所述的小孔沸石分子筛含磷或者不含磷。

所述不含磷小孔沸石分子筛，其阳离子可以是k，na，h，骨架硅铝摩尔比为3至12。

所述含磷小孔沸石分子筛为sapo-34磷酸铝硅分子筛。

所述的小孔沸石分子筛在常温常压下的饱和吸附量在16％至33％。

所述的小孔沸石分子筛在80℃至90℃真空减压条件下，脱水率为18％至45％。

所述的小孔沸石分子筛骨架是由-sio4-和-alo4-或-po4-四面体共氧链接成四氧元环和六氧元环初级结构d6r笼,四氧元环八氧元环构建的cha笼，d6r笼与cha笼相互连接，所述cha笼空腔容积为0.84×0.84×0.82nm³。

所述小孔脱水吸附剂包含小孔沸石分子筛和粘结剂，所述小孔脱水吸附剂经小孔沸石分子筛和所述粘结剂阴干、烘干及焙烧步骤制成，所述小孔沸石分子筛与所述粘结剂的重量比为15％～30％：85％～70％。

所述粘结剂可以是硅溶胶、高岭土、拟簿水铝石。

所述小孔脱水吸附剂形状为柱形或球形颗粒，所述柱形吸附剂颗粒使用专用成型模具在挤条机上进行，柱形吸附剂的直径1.5mm至3mm,长度5mm至10mm，所述球形颗粒球形吸附剂是在滚球机中将所述分子筛与所述粘结剂在转动状态下逐次混合加入所述滚球机的滚动盘中，依靠离心力使分子筛被粘结剂粘结成具有一定强度的吸附剂小球，小球直径1.0mm至3.5mm。

请参阅图3所示，本发明实施例变压吸附分离溶剂水二元共沸物的吸附分离工艺，包括：

步骤1，将共沸物经汽化器加热至高于分离物沸点10-20℃，气化后的分离物经压缩泵加压通过开放的第一阀门进入吸附装置；

步骤2，共沸物中的水被所述吸附装置中吸附床内脱水吸附剂吸附，获取纯度高达99.5％以上的溶剂蒸气，气化后的分离物经冷凝器冷却为不含水的纯相溶剂产物；

步骤3，所述吸附床中脱水吸附剂接近饱和前，关闭所述第一阀门，开启第二阀门，真空泵减压，使吸附剂所吸附的水脱附，脱水吸附剂恢复脱水功能，系统完成第一次吸附到脱附循环；

步骤4，重复步骤1至3，完成生产过程。

进一步地，所述外加热器，设置与所述吸附床下，用于保持所述吸附装置温度。

进一步地，所述吸附装置根据吸附剂的吸附或脱附水的特性来确定吸附床的容量。

进一步地，所述吸附剂为小孔脱水沸石分子筛。

进一步地，所述小孔脱水沸石分子筛为硅铝摩尔比为12，总孔容积0.352ml/g，微孔容积0.330ml/g的ssz-13的分子筛，脱水率可达44.7％，90℃热失重量为9.2％。

进一步地，所述小孔脱水沸石分子筛为硅铝摩尔比为0.2，总孔容积为0.297ml/g，微孔容积为0.260ml/g的sapo-34磷酸铝硅分子筛，脱水率可达22.4％，90℃热失重量为7.4％。

进一步地，所述小孔脱水沸石分子筛为硅铝摩尔比为4.32，总孔容积为22.8ml/g的k-cha(y转晶)分子筛，脱水率可达18.9％，90℃热失重量为3.4％。

进一步地，所述脱水沸石分子筛为硅铝摩尔比为3.34，总孔容积为0.07ml/g的k-cha(高岭土转晶)分子筛，脱水率可达27.7，90℃热失重量为4.4％。

进一步地，所述脱水沸石分子筛为硅铝摩尔比为3.21，总孔容积为0.128ml/g，微孔容积为0.025ml/g的na-k-cha(y-转晶nacl交换)分子筛，脱水率可达17.9，90℃热失重量为3.2％。

进一步地，所述变压吸附分离工艺中吸附、脱附温度，进样量与进样空速，脱附真空度与时间的具体操作参数根据溶剂的沸点、水合共沸物的共沸点以及共沸物的水含量确定。

本发明实施例应用于变压吸附法分离本发明所涉及的二元溶剂水合共沸体系的脱水吸附剂，需具备所吸附的水必须在所选择的变压吸附的操作温度下容易减压脱附恢复其吸水功能。为此，本发明提出一种用于变压吸附分离溶剂水二元共沸物的小孔沸石分子筛作为脱水吸附剂。该小孔沸石分子筛具有cha型沸石的特征xrd谱线，骨架硅铝摩尔比(sar)为0.2至15，含或不含杂原子磷。cha型沸石分子筛的骨架是由-sio4-和-alo4-或-po4-四面体共氧链接成四氧元环和六氧元环初级结构d6r笼、四氧元环和八氧元环构建的cha笼，d6r笼与cha笼相互连接，进一步有序相联成开口孔径0.38x0.38nm(平均孔径0.38nm)的孔道结构。cha笼的空腔很大,达到0.84x0.84x0.82nm³。本发明cha型小孔沸石分子筛结构孔径仅仅为0.38纳米，此尺寸远小于表1列举的二元溶剂水共沸物体系中的有机溶剂分子，因此本发明cha型小孔沸石分子筛不会吸附表一中的溶剂分子，故本发明cha型小孔沸石分子筛非常适合用于变压吸附(psa)方法脱除二元有机溶剂水合共沸物中的水，生产高浓度有机溶剂。

本发明实施例通过使用北京普析通用仪器公司的xd2型x射线粉末衍射仪测试对本发明获得的新结构cha型沸石分子筛晶相进行鉴定，扫描范围5-35°/2θ,扫描速度4°/2θ/分。鉴定的xrd衍射谱见图2。同时选取市面上常用的脱水小孔沸石分子筛(ka沸石分子筛)作为对比，其中样品a为sapo-34购自市场；样品b为ka(3a)购自市场；样品c为k-chay转晶由上海复榆新材料科技有限公司实验室，按文献由nay沸石分子筛在koh溶液中水热转晶反应制得；样品d为k-cha高岭土转晶,由上海复榆新材料科技有限公司实验室制备,内蒙古煤系偏高岭土在koh溶液中水热转晶反应制得；样品e为(na,k)-cha,样品d由1mnacl溶液中95℃中交换3次制得；样品f为h，na-cha(ssz-13),由上海复榆新材料科技有限公司实验室制备。

由小孔脱水沸石分子筛样品xrd谱图(图2)可分析出样品f与样品c、d衍射峰的位置基本一致，属于典型的cha沸石结构。

本发明实施例通过使用德国bruker公司的s8tigerx-光荧光散射仪器(xrf)测定本发明涉及的小孔沸石分子筛样品的化学组成与百分含量、并由其sio2、al2o3与p2o5的含量、计算出其氧化硅与氧化铝的摩尔比(sar)，成分测定的结果列于表2。

表2组成成分分析

组成分析结果显示，样品a的主要组成是p2o5与al2o3，并含有约10％的sio2，显然，这是一种磷酸铝为主体元素与较多sio2结合生成的al2o3-p2o5-sio2骨架型分子筛，又称为sapo分子筛。从其xrd谱可以判断其晶体结构属于cha型，是一种与cha类型的硅铝酸盐沸石结构相同但化学组成不同的磷酸铝硅异质同构体分子筛。该类型的分子筛的骨架基本上接近中性，缺少强静电吸附中心。由于孔容积很大，可以吸附较多的水分子，且所吸附的水比较容易脱附，符合本发明分离溶剂水二元共沸物所需的分子筛的孔结构和吸水性质要求。

样品b是sar为2.0的ka型沸石分子筛，a型沸石(通常为naa-即4a)其结构孔径是0.41nm,但因大量的阳离子na+被离子半径更大的k+取代，使其有效吸附孔径缩小至0.3nm左右。仅从此点来看ka沸石符合本发明所需要的分离溶剂水二元共沸物所需的分子筛的孔结构要求。

样品c、d、e均属于不同原料合成的sar3.2至4.3的cha型结构的k-cha沸石分子筛、和nacl溶液交换制成的(na、k)-cha沸石分子筛。显然，其结构孔径0.38nm符合本发明所需要的分离溶剂水二元共沸物所需的分子筛的孔结构要求。而且，可以预期，它们所含大量的阳电子的静电作用，该三种样品均可吸附较多的水分子。

样品f属于sar为12的(h、na)-cha(ssz-13)，较高的sar说明其阳离子较少，且其中大部分阳离子是离子半径最小的质子，由此，可以预估，该样品的水吸附量较大，其结构孔径与吸水性符合本发明所需要的分离溶剂水二元共沸物所需的分子筛的要求。

本发明实施例通过国产贝士德仪器公司的3h-2000ps2静态容量法比表面及孔径分析仪测试样品的bet比表面积，吸附温度为47k；

表3小孔沸石分子筛低温氮吸附数据

从表3的低温氮吸附所测的微孔容积数据可以将筛选的小孔脱水沸石分子筛分为2大类，一类的微孔容积极低、从0ml/g至0.053ml/g,ka(样品b)沸石与sar为3.2至4.3的低硅cha型沸石(样品c、d、e)属于其中。这种低硅沸石分子筛，因所含的阳离子如na⁺、k⁺含量很高，阳离子所占据的空间使得氮分子难以进入，导致最能反映该结构类型的微孔容积接近于零，因而也使得其bet表面积相对较低，在13cm²/g至103cm²/g范围。另一类是微孔容积高达0.26ml/g至0.33ml/g的sapo-34(样品a)与(h、na)-ssz-13(样品f)，其特点是均属于cha型，但结构中缺少阳离子(如sapo-34)或因sar较高，(ssz-13的sar为12.2)阳离子含量少，且部分阳离子是直径最小的质子。因此，氮分子可以进入该结构类型的微孔容积中，致使所测得的微孔容积接近于cha沸石的理论微孔容积。

本发明实施例对样品a至f进行水吸附量与热脱附水量测定，待测的小孔沸石分子筛样品经550℃焙烧3小时脱水后放入装有饱和nacl溶液的干燥器中，于室温下湿基平衡24小时，称取湿基平衡前后的样品重量的改变，计算其平衡水吸附量。

用微量电子真空吸附天平测定本发明涉及的经湿基平衡吸饱水的小孔沸石分子筛样品的水热脱附性质。样品经压片后,在真空条件下于80℃至90℃的脱附温度下，观察重量的变化至不再减重由此获得的减重计算其热脱水量数据。每次测定的样品装量约为300mg至400mg，其结果列于表4。

表4小孔脱水吸附剂

表4数据显示,所测小孔脱水沸石分子筛的饱和水吸附量以cha结构类型的磷酸硅铝样品a(sapo-34)为最高,达到33.1％，其次是同属cha结构的硅酸铝沸石分子筛的样品c、d、e和f，水吸附量差别不大，在16％至21％之间。但是，所吸附的水在90℃下，脱附量却有显著差别，其中样品f(ssz-13)为最高，达到9.2％、脱水率44.7％，而其它的cha样品，不论其阳离子是k⁺还是na⁺，其热失重量在3.2％至4.4％之间，相差不大,脱水率18％至27％。而同属cha结构的样品a(sapo-34)，虽然，水吸附量高达33.1％，90℃热失重为7.4％，脱水率22.4％。样品b(ka分子筛)的水吸附量为21.4％，但90℃热失重为0.06％，脱水率仅仅0.028％，这说明小孔ka沸石虽然有较高的水吸附量，但所吸附的水很难在90℃时热脱附，因此，该沸石不适合用于在psa工艺中脱除含水二元共沸物中的水。显然,作为此种应用而言,样品a、c、d、e、与f均具有可用性，其中最优选者是样品f，即硅铝摩尔比sar＝12的(h，na)-ssz-13，其次是样品a，即sapo-34。而这二个样品，其低温氮吸附数据中微孔表面积和微孔容积均特别高。这说明在此项应用中，微孔的脱水沸石分子筛的孔容积与微孔的表面积是影响脱水率和90℃热失重量的重要的性质。

上述筛选的cha型小孔沸石分子筛用于psa吸附分离二元溶剂共沸物前必需用粘结剂将分子筛粉末粘结制成柱形、或球形颗粒。常用的粘结剂有硅溶胶、高岭土、拟簿水铝石等。粘结剂与分子筛粉的重量比例(以干基计)通常选择在15％至30％比85％至70％。柱形吸附剂颗粒使用专用成型模具在挤条机上进行，柱形吸附剂的直径1.5mm至3mm,长度5mm至10mm.球形吸附剂是在滚球机中(制丸机)将分子筛粉与粘结剂在转动状态下逐次混合加入滚球剂直径达1米的滚动盘中，依靠离心力使分子筛粉被粘结剂粘结成具有一定强度的吸附剂小球，小球直径1.0mm至3.5mm。成型获得的柱状或小球状吸附剂需经阴干、烘干、焙烧等步骤才能制成有一定强度、可放入psa吸附分离装置中使用的cha型小孔沸石分子筛脱水吸附剂。

本发明实施例是变压吸附(psa)分离二元溶剂水合共沸物工艺流程简图见图3，以分离95％，制取99.5％的燃料酒精为例,将95％的共沸物酒精原料经汽化器1加热至酒精沸点以上(即80℃至90℃),汽化后的共沸酒精蒸气经压缩泵2加压后通过开放的阀门7进入吸附床3，汽化后的共沸酒精蒸气通过所装的cha型沸石小孔脱水吸附剂,共沸物原料酒精中的水即被除去,获得纯度高达99.5％以上的燃料酒精蒸气,该蒸气经冷凝器5冷却为燃料酒精产物。吸附床外的加热器4是为保持吸附床层的温度，使分离过程始终在等温条件下进行而设置的。当吸附床中的脱水吸附剂接近饱和前，关闭阀门2，开启阀门8，在真空泵6的减压下，吸附床3中所装的cha沸石脱水吸附剂所吸附的水被脱附，以水汽状态排空，吸附床中的吸附剂恢复脱水功能。至此，系统完成第一次吸附-脱附循环。继而系统进行第二轮，第三轮、第四轮等，每次切换吸附-脱附过程费时仅仅几分钟至十几分钟。如此，完成共沸酒精生产燃料酒精的生产过程。

吸附床中所装cha型沸石小孔脱水吸附剂,可以是样品a(sapo-34)、样品c(nay转晶制成的k-cha)、样品d(高岭土转晶制成的k-cha)、样品e(nacl交换制成的na、k-cha)或样品f(h，na-cha，ssz-13)。由于不同cha型小孔沸石脱水吸附剂吸水率和90℃下的脱水率的不同，当使用不同吸附-脱附性能的小孔脱水吸附剂时，需要调整每次吸附超作的进样量，如果用吸水量22％的脱水率最高的ssz-13(样品f)为吸附剂，则每次输入床层的酒精蒸汽量可以很高。而如果选用水吸附量最高达33％，但脱水率仅22％的样品a(sapo-34)，其蒸汽进料量只能是样品f(ssz-13)的80％。同样道理，如果吸附床中装的是cha结构脱水吸附剂样品c、d、e，因其吸水量仅为18％左右，脱水率在20％上下，因此，蒸汽进样量可为样品f的40％至50％。

在脱水装置的设计上，也可以按选用的吸附剂的吸附/脱附水的特性来确定吸附床的容量。用高效的小孔吸附剂样品a或样品f，吸剂装填容量可以最小，而用样品c、d、或e时吸附剂装填容量比前者要大1倍以上，这就保证可以在每次吸附时输入蒸汽量相获得基本相同的脱水效果。

若所分离的是酒精以外其它溶剂水合共沸物体系，其psa工艺流程仍然如图3所示，但需根据该溶剂的沸点、水合共沸物的共沸点以及共沸物的水含量来确定psa装置的具体设计数据以及吸附-脱附温度，进样量与进样空速，脱附真空度与时间等具体操作参数。

至此，已经结合附图所示的优选实施方式描述了本发明的技术方案，但是，本领域技术人员容易理解的是，本发明的保护范围显然不局限于这些具体实施方式。在不偏离本发明的原理的前提下，本领域技术人员可以对相关技术特征做出等同的更改或替换，这些更改或替换之后的技术方案都将落入本发明的保护范围之内。