真空变压吸附分离氮气甲烷模拟与实验研究

采用椰壳活性炭为吸附剂,进行了三床真空变压吸附（VPSA）氮气甲烷分离过程的研究。在吸附和置换压力为0.5 MPa,解吸压力为-0.08 MPa条件下,将体积分数（下同）为30%的甲烷,浓缩至80%～98%,甲烷的回收率达到65%～96%,并研究了吸附和置换步骤下塔顶出口流量对于产品气纯度和收率的影响。运用Aspen Adsorption软件建立上述模型,模拟结果与实验结果基本一致;模拟可以为甲烷富集的工业装置建立提供基本设计参数。     

变压吸附浓缩甲烷/氮气中甲烷的研究进展

介绍了变压吸附(PSA)技术浓缩煤层气、油田气以及垃圾填埋气中甲烷(CH4)的国内外研究和应用状况,分析了吸附剂以及PSA工艺对CH4/N2分离效果的影响,着重讨论了活性炭与碳分子筛(CMS)吸附剂在分离CH4/N2混合物中的应用,指出了目前PSA用于浓缩CH4/N2中CH4研究中存在的不足,并展望了其发展趋势.     

真空变压吸附分离氮气甲烷的模拟与控制

采用实验室自制的活性炭为吸附剂,进行了真空变压吸附（VPSA）分离氮气/甲烷的实验、模拟和控制研究。建立了一套双塔VPSA实验装置,并将其数学模型建立在gPROMS软件中,通过改变进料气流量做多组对比实验,通过模拟数据和实验数据的对比,验证了数学模型的准确性。通过双塔VPSA的模拟调试,可以将甲烷的纯度由30%提升到80%,同时保证83%的回收率。随后,针对实际生产中不可避免的状态干扰因素,选取了3种常见的扰动状况,以产品气纯度快速回归至80%为控制目标,根据本文所采用的VPSA系统设计了PID控制器,进行了模拟和控制的研究。研究结果表明,引入PID控制器可以使纯度受到扰动影响时较快速地回归至合格纯度,同时保证装置较为稳定的运行。     

数值模拟和优化变压吸附流程研究进展

有效的变压吸附数值模拟和优化能够替代耗资耗时的变压吸附模化实验研究,并对新型变压吸附流程进行快速地评估。本文概述了数值模拟和优化变压吸附流程中涉及的偏微分和代数方程组,比较了一维、二维以及三维模型在描述变压吸附流程中的应用。简介了模拟变压吸附流程的数值方法,对模拟中相邻步骤边界条件的切换方式、偏微分方程组的离散形式和离散方法进行了评述。阐述了国内外变压吸附流程优化的研究进展,对优化中涉及的循环稳态定义方法、最优化算法进行了比较和分析。列举了国内外模拟和优化变压吸附在制氧、制氢、二氧化碳捕集等方面的研究实例和相关变压吸附优化的商业化软件,指出数值模拟和优化变压吸附流程目前面临的问题和未来发展的前景。     

用于甲烷/氮气分离的活性炭吸附剂研究进展

介绍了变压吸附(PSA)技术用于甲烷/氮气分离的国内外相关研究进展,分析了吸附剂的物化性质对甲烷/氮气分离效果的影响,并重点讨论了活性炭吸附剂的性质以及影响活性炭对甲烷/氮气吸附分离性能的因素,指出了活性炭吸附剂应用于甲烷/氮气分离时存在的不足,并展望了其发展趋势.     

变压吸附法提纯煤层气中甲烷研究进展

低浓度煤层气直接排放既造成能源浪费,又带来严重的温室效应,变压吸附法提纯低浓度煤层气是解决煤层气排放的有效利用途径。总结了变压吸附技术对CH_4/N_2体系煤层气中CH4分离的研究进展,包括变压吸附分离机理和相应的变压吸附提纯工艺路线,分析了2种工艺的优缺点,讨论了多孔吸附材料,如活性炭、碳分子筛、沸石分子筛和金属有机骨架材料对CH_4/N_2吸附分离效果的研究进展和存在的问题。基于平衡效应分离的变压吸附技术,在CH_4/N_2体系分离实际应用中遇到瓶颈,原因在于现有吸附剂平衡分离系数太小,提浓幅度有限;其次,CH_4在平衡效应里作为强吸附组分被优先吸附,产品气必须通过抽真空的方式解吸获得,必须采取多级压缩和增加置换步骤,因而能耗相对较高。基于动力学效应的分离,可在塔顶直接获得富集的带压产品气;同时免去多级压缩的能量消耗,相对平衡效应分离具有显著优势,但需要在第一级加压,处理接近爆炸限浓度煤层气有一定安全隐患。活性炭吸附容量大,处理能力强,价格低廉,是一种典型的平衡分离型吸附剂,但分离系数较低,存在气体循环量大、效率低,提浓幅度窄等缺点,如何通过孔径调控和表面改性提高活性炭的平衡分离系数将是今后研究的重点。现有报道效果较好的动力学吸附剂主要以碳分子筛为主,但价格高昂,工业推广受限,选择合适的廉价原料、改变现有间歇式生产工艺、进一步开发高效、廉价的动力学/N2的重要方向。沸石分子筛会优先吸附CH_4,与动力学效应优先吸附N_2相反,降低了分子筛对CH_4/N_2的分离选择性。所以硅铝分子筛/钛硅分子筛多在分离高浓度CH4含量的天然气、油田气方面表现优异,针对低浓度煤层气CH_4的提纯应用较少,未见工业应用报道。金属有机骨架材料的出现提供了新的发展思路,但其在CH_4/N_2的吸附平衡和动力学研究以及变压吸附分离方面研究较少,还有待进一步深入研究,解决材料的稳定成型和放大仍是需要突破的技术瓶颈。未来变压吸附提纯工艺将是平衡效应和动力学效应的组合工艺,开发低压下变压吸附分离工艺将具有更好的经济性和安全性;低成本、大容量、高选择性吸附剂开发仍是未来吸附剂的重点发展方向;同时吸附剂寿命以及再生性能有待深入研究。     

变压吸附分离技术在氮气生产中的应用

分析了变压吸附气体分离技术制取氮气的原理、工艺流程,比较了变压吸附制氮与其他制氮方法的优点,并且就变压吸附制氮装置选型时注意事项和装备进行了介绍,在2000m3(标)/h能力范围内,比深冷更具吸引力。     

真空变压吸附提纯沼气的实验

以煤基碳分子筛为沼气净化吸附剂,借助扫描电镜观察了碳分子筛的表面形貌,并通过物理化学吸附仪表征了碳分子筛的孔径分布。基于静态容积法测定了CO₂与CH₄在碳分子筛的静态吸附量,并估算了CO₂与CH₄在碳分子筛的动力学扩散系数。单塔穿透实验考察了吸附压力与进料流量对原料气中CO₂穿透曲线的影响,选取吸附压力为0.3 MPa,进料流量为4 L·min-1进行两塔六步真空变压吸附提纯沼气的实验研究,并考察了吸附步骤时长与产品气冲洗率对CH₄富集效果的影响。实验结果表明,吸附步骤时长为140 s,冲洗率为0.05时,产品气中CH₄纯度可达98%,收率可达82%。     

变压吸附脱碳优化改造总结

变压吸附分离技术对于含多种杂质的混合气可以一次脱除,目前已广泛应用于合成氨系统中,用以净化合成气同时为尿素生产提供二氧化碳。本文介绍了变压吸附脱碳逆放气回收的改造情况。     

规整复合吸附剂真空变压吸附分离CH4/N2工艺模拟与分析

为减少甲烷排放,实现低浓度煤层气有效资源化利用,探究了使用规整复合吸附剂真空变压吸附富集低浓度煤层气的工艺。采用静态容积法测定了甲烷、氮气在规整复合吸附剂上的吸附等温线,同时建立了包括质量、热量和动量守恒在内的严格吸附床数学模型,设计了三塔连续进料的真空变压吸附工艺并进行模拟。分析了工艺达到循环稳态后吸附床层轴向温度分布和压力变化,并且探究了进料量、解吸压力、原料气中甲烷浓度和吸附压力对纯度、回收率、工艺能耗和吸附剂产率等工艺性能的影响。模拟结果表明,在进料量为100 L·min^-1,解吸压力为0.1 bar（1 bar=0.1 MPa）,原料气甲烷浓度为30%,吸附压力为3 bar时可以生产纯度为59.07%,回收率为93.64%的富CH₄产品气,同时单位能耗为18.70 kJ·mol^-1,吸附剂产率为4.56 mol·h^-1·kg^-1。表明规整吸附剂对CH₄/N₂具有良好的吸附分离效果,能够实现低浓度煤层气中甲烷高效富集。     

Vacuum pressure swing adsorption process for coalbed methane enrichment

The enrichment of low concentration coalbed methane using adsorption process with activated carbon adsorbent was studied in this work.Adsorption isotherms of methane,nitrogen and carbon dioxide on activated carbon were measured by volumetric method,meanwhile a series of breakthrough tests with single component,binary components and three components feed mixture has been performed for exploring dynamic adsorption behaviors.Moreover,a rigorous mathematical model of adsorption bed containing mass,energy,and momentum conservation equation as well as dual-site Langmuir model with the Linear driving force model for gas-solid phase mass transfer has been proposed for numerical modeling and simulation of fixed bed breakthrough process and vacuum pressure swing adsorption process.Furthermore,the lumped mass transfer coefficient of methane,nitrogen and carbon dioxide on activated carbon adsorbent has been determined to be 0.3 s~(-1),1.0 s~(-1) and 0.06 s~(-1) by fitting the breakthrough curves using numerical calculation.Additionally,a six bed VPSA process with twelve step cycle sequence has been proposed and investigated for low concentration coalbed methane enrichment.Results demonstrated that the methane molar fraction in feed mixture ranged from 10% to 50% could be enriched to 32.15% to 88.75% methane in heavy product gas with a methane recovery higher than 83%under the adsorption pressure of 3 bar(1 bar=10~5 Pa) and desorption pressure of 0.1 bar.Energy consumption of this VPSA process was varied from 0.165 kW·h·m~(-3) CH_4 to 0.649 kW·h·m~(-3) CH_4.Finally,a dual-stage VPSA process has been successfully developed to upgrade a low concentration coalbed methane containing 20% methane to a target product gas with methane purity higher than 90%,meanwhile the total methane recovery was up to 98.71% with a total energy consumption of 0.504 kW·h·m~(-3) CH_4.     

真空变压吸附分离CH4/N2/O2实验、模拟与安评

针对CH₄/N₂/O₂混合物脱氧效果差以及安全性低等问题,采用实验室自制活性炭为吸附剂,通过数值模拟和实验进行了双塔真空变压吸附（VPSA）分离25% CH₄/59% N₂/16% O₂混合物的工艺研究。通过考察进料流量和置换流量对甲烷产品纯度和回收率的影响,实验验证了数值模型的准确性。在模拟和实验的基础上,对VPSA工艺全流程进行了系统的安全性分析,并针对存在安全隐患的过程,提出一种更为安全的VPSA工艺流程。研究结果表明,通过双塔VPSA可以获得甲烷纯度为51.36%的产品气,甲烷回收率可达85.65%,存在安全隐患的过程主要集中在吸附、均压和终升压步骤,通过原料气的惰化过程,可以实现VPSA工艺的安全操作。     

变压吸附氢气纯化过程瞬态分析

变压吸附技术是工业上生产高纯氢气最常用的方法之一。然而,在实际生产过程中无法观察到塔内各组分在不同时刻的分布状态,因此借助模拟的手段来研究从投料至系统达到循环稳态期间各组分在塔内的动态变化规律,进而指导工艺改进是很有必要的。采用活性炭和5A分子筛为吸附剂,设计了八塔变压吸附工艺从蒸汽甲烷重整气中纯化氢气,模拟了变压吸附制氢开车过程,分析了开车过程中塔内各组分在吸附、顺放以及冲洗三个阶段以及循环稳态后吸附阶段瞬态吸附行为和塔内温度变化。结果表明,在吸附以及顺放等过程中重组分会随着循环周期向塔顶移动。这一现象是组分间竞争吸附和冲洗再生方式下重组分在床层底部累积两个作用因素共同导致的。这些因素在一定程度上也会造成CO的吸附前沿在吸附阶段就过多进入5A分子筛上,使得CO含量成为限制工艺性能的主要因素。     

煤层气回收及CH4/N2分离PSA材料的研究进展

我国煤层气蕴藏丰富,在面临能源危机时代煤层气可作为天然气能源的有效补充。本文介绍了低浓煤层气回收即CH₄/N₂分离几种常见技术：低温技术、水合物技术、溶解技术、膜分离和变压吸附技术（PSA）的分离原理、技术开发和研究的现状,并分析了各项技术目前存在的问题。讨论了多孔材料,如活性炭、碳分子筛、沸石分子筛和新型金属有机骨架材料（MOFs）等对CH₄/N₂吸附分离效果的研究进展,由于MOFs材料的吸附性能随温度或压力的改变出现飞跃,预示了其在PSA领域广阔的应用前景。     

真空变压吸附捕集烟道气中二氧化碳的模拟、实验及分析

采用工业硅胶作为吸附剂,利用两塔变压吸附装置进行了烟道气变压吸附碳捕集实验。利用gPROMS软件建立两塔变压吸附模型对实验过程进行模拟,对比了实验和模拟的结果,验证了模型的准确性。通过两塔变压吸附可将15%的CO₂富集到74%,收率为91.52%。在模型基础上考察了变压吸附碳捕集过程中进料量、吸附时间、顺放压力与二氧化碳收率、纯度和能耗的关系,定性分析了吸附塔压力和进料量对压缩机能耗的影响。结果表明:增大进料量、延长吸附时间、降低顺放压力,可以有效提高产品气中CO₂浓度,但同时也导致收率的下降,前两者还会造成单位能耗的增加;吸附压力越高,进料流量越大,压缩机能耗越大。     

Separation of He/N2/CH4 ternary mixtures by a triple-reflux pressure swing adsorption process

Conventional pressure swing adsorption (PSA) processes can only produce one high purity product in a single stage, whereas the state-of-art dual-reflux PSA (DR-PSA) can produce two high purity products simultaneously. However, multicomponent gas separation is often required in the industry, targeting at recovering several valued products at the same time. In this study, we propose a novel adsorption process, namely triple-reflux PSA (TR-PSA), to separate three components simultaneously. A middle product outlet and a middle reflux stream were introduced to the adsorption columns of a conventional DR-PSA process to separate ternary mixtures of nitrogen, methane, and helium. Nonisothermal dynamic models were built to investigate the impacts of operating parameters particularly the location of the middle reflux/product stream and the middle reflux flow rates. Results showed that the TR-PSA process successfully separated ternary mixtures obtaining three enriched products simultaneously in a single stage, yielding a separation performance comparable to that of the double-stage DR-PSA with significantly lower capital and energy cost.