变压吸附技术分离CH4／N2气体混合物(1).pdf

第 2 7卷第 2期 2 0 0 2年4月 煤 炭 学 报 J OURN AL OF C HI NA C O AL S OC I E T Y 文章编号 0 2 5 3 9 9 9 3 2 0 0 2 0 2 0 1 9 7 0 4 变压 吸附技术分 离 C H 4 ／ N 气体 混合物 辜 敏 ， 鲜学 福 ， 张 代均 ， 陈昌 国 t l汕头大学 化学系，广东 汕头5 1 5 0 6 3；2 重庆大学 采矿T程系，重庆4 J 0 0 4 4 ；3重庆太学 化工学院；重庆4 O 0 O 4 4 摘要 采用变压吸附技 术进行 C H ／ N 气体混合 特的分 离研 究，以提高混合 气中 c H 的浓度． 在单柱变压吸附装置上进行 了变压吸附过程实验 ；考察了各步压力、原料气组成等操作务件对分 离过 程 的影 响． 关键词 变压吸附 P S A ；活性炭 ；C H ；N 2 中图分类号P 6 1 8 ． 1 1 ； 0 6 4 7 ． 3 1 文献标识码 A 随着人们对煤矿安全 、环境保护意识的提高，近年来国内外十分重视煤层气的开发利用．煤层气的有 效成分是 C H ，只有当其浓度高达一定值 8 0 ％以上 ，才能作为一种高教、洁净的能源和化工原料，而 一 般抽放煤层气 中 C H 浓度较低 2 0 ％ ～ 4 5 ％ 我国是产煤大国，煤层气资源十分丰富 ，但利用 率却极 低，其原因之一就在于煤层气中C H 的提纯分离没有得到解决“ ．变压吸附 P S A技术是有效的气体 分离提纯方法 ，自2 0世纪 8 0年代以来已在工业． t - ． 得到广泛应用 ． 目前大多数工业化的、应用最为成 功的变压吸附过程都是弱吸附组分为产品，强吸附组分 因其浓度低而没有得到广泛应用．分离提纯煤层气 中的 C H 产品，是强吸附组分 ，这与典型的 P S A工艺在实施过程中每一过程的作用和意义完全相 反，对 该体系的 P S A提纯分离过程实验和理论研究还很缺乏．本文以 C H ／ N ， 为研究体系，着重讨论变压吸附操 作参数对 C H 分离提纯的影响，结果可用于抽放煤层气中 C H 的提浓． 1 实验方 法 1 ． 1实验装置 实验所用的单柱 P S A装置是 自行设计制作的装置分为配气系统 I和变压吸附系统 1 1 两个 部分 见文献 [ 7 ] 采用高压气瓶中的气体配制不同浓度的原料气，然后进入 P S A系统进行分离提纯， 得到浓度高于原料气的组分气体，该系统的核心是吸附柱．对于实际抽放的煤层气，在进入系统 Ⅱ 之前必 须进行预净化 ，除去其中的强吸附杂质 ，如 H O，C O ．经过预处理除去杂质的煤层气可 以看成是 C H ／ N ， 的混和气 ． I ． 2实验方法 1 P S A过程设置目前，工业应用的 P S A过程采用充压、吸附、均压、置换 、 顺向降压、逆向降 压 、清洗 、抽真空等操作步骤．根据不同的体系及分离要求 ，采用上述部分或全部步骤 ，并有 多种组合顺 序操作对于分 离提浓 C H ／ N 中的强吸附组分 C H ，是从吸附相获得 的，如何增大 C H 在 吸附相 中的浓 度以及所采用的解 吸手段是关键 ，因此在 P S A过程中设置有并 流减压、逆 向减压以及逆 向抽真空步骤 整个 P S A过程如图 1 所示 ，包括 5个基本步骤 I 充气 ；Ⅱ 高压吸附；Ⅲ 并流减压 ；I V． 逆 向减压 ； V． 抽真空 ，每个步骤都已工业化 2 吸 附剂的选择 实验采用静态体积法对不同的吸附剂进行吸附实验 ，以筛选能够分离 C H ／ N 的 吸附剂 ，亦即吸附柱的填料．具体实验 步骤见文献 2 ] 收辅 日期 2 O O l 一 0 8 1 6 基金项目教育部春睥计划和专门基金支持项目 教外司留 [ 1 9 9 9 ]9 5号 ；汕头大学工业催化学科 2 1 1 工程建设项 目资助 维普资讯 煤 炭 学 报 2 0 0 2 年 第2 7 卷 C H． ／ N 盲 ‘ 图 I P s A过程 Fi g ．1 S c h e me 0r PS A pr o c e s s 3 变压吸 附实验按图 I 设置的步骤循环操作．在不同的操作条件下 ，将 c H ／ N 混和气通过 P S A 系统 ，从出口处取样分析 、得到产品组分浓度的变化情况． 4 分析方法原料气、产品气的组成分析采用气相色谱仪 国产 S P 3 4 0 0 进行． 2结果和讨论 2 ． 1 吸附剂的选择 吸附剂的选择是 P S A能否实现分离的关键一步， 其基本依据是混合气体及其组分气体的热力学性质， 平衡吸附关系和分离系数 ． 越大 ，C H 和 N 。 分离 的可能性越大．从 目前常用的吸附剂看 ， d c n 3 ，而d c 可以到达 1 4以上 即 H 的提纯相对容易很多 ，这也是煤层气中C H 难以提纯的 一 个重要原因．通过实验选择 T 1 0 3活性炭作为吸附剂，其 d 2 ． 9 0 ． 2 ． 2 操作参数对吸附分离的影响 变压吸附分离过程所关心的问题是各阶段的定量结果及分离技术的最佳操作条件 产品回收率和吸附 剂生产能力的计算公式 为 c 帅收率 ， ㈩ 原 料 气 每 循 环 原 簧 嘉 譬 ． c 对 于用活 性炭 的二组 分 P S A分离 ， 传质阻力并不 重要 ，因此 本文主要讨 论各步的操作压力、和原料处理量对分离 提纯的影响． 1 吸 附压 力的影响在其它条件 基本相同的情况下，提高吸附压力 ，可以 增大 C H 在吸附相中的浓度，使产品 C H 的浓度提高 表 1 ．C H 在 活性 炭上 的 吸附服从 L a n g mu i r方程 ，当压力高达 一 定值后 ，吸附量几乎不再增加 ，但在填 料空隙空间被压缩的气体量会随压力的增 大而增大．因此 ，在变压吸附分离中，盲 目增高吸附压力是不 可取 的，① 增加能 耗 ；② 空隙空间 中存在的气体对组分之 间的分离只有害而无益．所以压力增大到 表 1 不同吸附压力对 P S A分离 c H | 的影响 T a b l el 1 e ff e c t o f a d s o r p o a p r e s s u r e t h e 擘 e 呻r a d 0 帅o fC 凰 注 第Ⅲ步结束压力为0 ． 2 M P 且 ； 第Ⅳ步结束压力为0 1 M P a ； 吸附时同 为 3 ml n ；原料气组成为 C H 4 2 9 3 ％． 维普资讯 第2期 辜敏等变压吸附技术分离 c H ／ N 气体混合物 在 L a n g mu i r 方程平台以前为宜 ．增大吸附压力，会使第Ⅲ步 C H 穿透量增大 ，这与理论分析完全一致． 产品浓度和回收率总是相矛盾，在提高产品C H 浓度的同时，其回收率却大为降低．为了减少第Ⅲ步 C H 的穿透量，可适当缩短第U步的操作时间． 2 并 流降压步骤结 束压力的影 响 实验结果表明，降低第Ⅲ步结束压力，可 以较大程度地提高产品气 C H 的浓度 见 表 2 ．在其它条件基本相同，当第 Ⅲ步 结束压力从 0 ． 8 M P a 降低到 0 ． 4 M P a时． 第Ⅳ步 C H 产品的浓度仅较原料气提高 了 6 8 7 ％，但如果降低到 0 2 M P a ，浓度可 提高到 l 1 ． 2 0 ％．当吸附压 力一定时，第 Ⅲ 步 结 束 压 力 晟 理 想，接 近 常 压 0 ． 1 M P a ， 这样可在产 品步骤时得到最 高浓度的 C H 产品 ，但第 Ⅲ步结束压力不 能等于常压，因为逆放抽真空步骤是必要 的．逆放步骤不仅是得到产品的步骤，而 且在大多数情况下 ，当顺放和逆放步骤结 合起来时 ，分离效果才最好 ． 3 真空度的影响逆放和抽真空是 表 2 第Ⅲ步 结束压 力对 P S A分离 C H ． 的影 响 Ta b l e 2 Th e e ffe c t o f t h e e n d p r e s s u r e o f s t e p H I o n t h e s e p a r a ti o n o f CH- 注吸附 力为 0 8 M P a ；吸附时间为 3 ra i n ；第Ⅳ步结束压力为 0 I M P a ； 原料气组成 ． C H J 3 I】 ％． 产品步骤，即将 C H 从吸附相中解吸出来．逆放步骤的结束压力最低是常压 ，抽真空的结束压力从产品纯 度来看，是低为好，但需要消耗能量 真空度如果不高会形成恶性循环，一方面使床层在开始循环时就 “ 不干净” ，吸附剂不干净会导致 C H 吸附量大减而直接影响第 1 步充气量 ，从而影响产 品的回收率 ；另 ～ 方面，上一次循环第 Ⅲ步发生穿透的 C H 滞留在吸附柱的顶端产品不能够抽出 ，直接影响产品的浓度． 4 原料 气流量许多文献认为，减少原料气处理量 ，可以提高分离效果 本文实验发现，进料 量对最终得到的产品浓度影响并不大．这与文献 [ 5 ]结果一致．但进料量增大会导致 C H 在第 Ⅱ步就大 量穿透 ，使回收率降低．当采用实验 N o ． 4的操作条件 ，进料速度 为 0 ． 5 4 9 L ／ m i n ，则在第 Ⅱ步结束时 ， C H 出13浓度为 1 ． 5 6 ％ ，进料速度增大到 4 7 1 L ／ m i n时，C H 出E l 浓度增大到 1 2 ． 9 ％． 3 结 论 1 提高吸附压力以增大 C H 在吸附相中的浓度 ，降低并向减压的结束压力及提高真空度以解吸吸附 相中的C H ，可提高产品C H 的浓度．其它操作条件主要影响产品回收率和产率 2 要使煤层气中C H 浓度从3 0 ％左右提高到8 0 ％以上，仅采用本文所设置的步骤是不行的，应该 增加其它步骤 ，如置换步骤 参考文献 [ I ] 鲜学福．我国煤层瓦斯渗流力学的研究现状及进一步发展和应用的展望 R J ．重庆大学．矿山工程物理研究所， 1 99 7 2 辜敏．提高抽放煤层气中甲烷浓度的变压吸附基础研究 D ] ．重庆重庆大学 ，2 0 0 0 ． [ 3 ] 岑沛霖，Y a n g R T ．变压吸附方法分离五元气体混合物 [ J J ．化工学报，1 9 8 8 ，4 9 6 7 5 2～ 7 5 7 [ 4] S u ns u p S ，Wa n k a t P C C o m b i n ad e o e u r r e n t e o u n l e r t , u r r e n t b l o w r td o w n c y c l e i n p r e s s u r e s w i n g a d s o r p t i o n J ] ．A I C h E J ． ， 1 9 8 9 ，3 5 3 5 2 3～ 5 3 2 ． 5 ] C e n P L ，Y a n g R T S e p a r a t i o n o f h i n a O , g a s m i x l t t r e i n | o t w o h i g h p u r i t y p r adu c t s b y n e w p r e s s u r e s w i n g a d s o r p t i o n L J J 维普资讯 煤 炭 学 报 2 0 0 2 年第2 7 卷 S e p ．S c i ．T e c h ． ，1 9 8 6 2 1 9 8 5 4 8 6 1 [ 6] Y a n g R T ，D o o n g S J ．G a sp a r a t i l 】 I l b y p r e s s u r e s w i n g a d s o r p t i o n a p o r e d i ff u s i o n m o d e l f o r b u lk s e p a r a ti o n E J ] A I C h E ，1 9 8 5 ，3 1 1 2 1 8 2 91 8 3 8 ． [ 7 ] 辜敏，陈昌国，鲜学福．抽放煤层气变压吸附过程的数学模拟 [ J ] ．煤炭学报．2 0 0 1 ，2 6 3 3 2 3 3 2 6 作者简介 辜敏 1 9 6 9一 ．女 ．v u r l 乐 山人 ，博士 ，讲师 ，2 0 0 0年毕 业于重庆 大学采矿 工程专业 ，现从 事分析 化学 、电化学 的科研和教学研究 ，发表 “ 抽放煤层 气变压 吸附过程的数学模拟 ”等论 文 1 O余篇 ． S e p a r a t i o n o f CH4 ／ N2 g a s mi x t u r e b y p r e s s u r e s wi n g a d s o r p t i o n p r o c e s s e s G U Mi n ，XI AN Xu ef u 。 ，Z H A N G D a i j u n ， C H E N C h a n g g u o I D e p a r * ra e m of C h e m ；z t r ，S fi x m t o u b n i v e n 吖 ，S h x mt o u 5 l 5 0 6 3 4 0 0 O 4 4，C h l rm3 C o Ee g e o fC h e m i c a l E n g i e r l n g，C h o n g q i n ⋯ C h i n a；2 D 删wm of Mi n i n g．C l u m g q i n g U n it e r s i ty ，G hen g q i n g c 。 4 0 0 O 4 4 ，G h k ta Ab s t r a c t T h e s e p a r a t i o n o f C H4 ／ N2 g a s mi x t u r e f o r i mp r o v e t h e c o n c e n t r a t i o n o f CH4 b y p r e s s u r e s wi n g a d s o r p t i o n P S A i s s tud i e d ．T h e e x p e r i m e n t o f P S A p r o c e ss i s c a r r i e d o u t o n s i n g l e u n i t e ．T h e e f f e c t s o f o p e r a t i o n a l e o n d i t i o n s u c h a s o p e r a t e p r e s s u r e a n d t h e f e e d c o n c e n t r a t i o n a r e a l s o i n v e s t i g a t e d ． Ke y wo r d s P S A；a c t i v a t e d c a r b o n；C H ；N2 8 408s e 黯 2 0 0 2年 煤炭 学报 征订启事 d ∞ 8 煤炭学报是 中国煤炭学会主 办的、向国内外发行的煤炭科 学技术方面的综合性 学术刊物．主要刊 栽煤 田地质与勘探、煤矿开采 、矿山测量 、矿井建设、煤矿安全 、煤矿机械工程 、煤矿 电气工程、煤炭加 工利用、煤矿环境保护等方面的科学研究成果论著和学术论文 ，以及煤矿生产建设 、企业管理经验的理论 总结 ，也刊载重要学术问题的讨论厦 国内外煤炭科学技术方 面的学术活动简讯， 煤炭学报刊载的论文具有较高的学术价值和文献收藏价值，被 E i 、lE A C o a l A b s t r a c t C D R O M、中 国科 学引文数据库、S C I 、科 学技术文摘速报 日本 、C o a l H i g h l i g h t s 、中国学术期刊文摘等 国内外 2 0多 种重要 文摘检索系统所收录1 9 9 2年 荣获首届全 国优 秀科技期-7 1】 评 比二等奖，中国科 学技术协会优秀学 术期-7 1】 二等奖，北京市新 闻出版局、北京市科 学技术期刊编辑学会 全优期-7 1】 奖．1 9 9 6年荣获第届全 国 优秀科技期刊评 比一等奖，中国科学技术协会优 秀科技期刊一等奖．1 9 9 9年荣获首届国家期刊 奖． 煤炭学报深受广太砟者、读者的爱护和支持 ，也受到各级部门的重视，在学术水平上具有较高的 地位，很多单位都将在 煤炭学报发表的文章砟为砟者学术水平考核指标之一． 煤炭 学报是双月刊，每册订价 1 8 ． 0 o元，全年共收 费 1 0 8 0 0元．欲订 阅者可直接 与本编辑部联 系，编辑部随时办理订阅手续． 本刊地址北京市和平里煤炭科 学研究总院内 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