天然气轻烃回收工艺设计及操作参数的优化

以廉价天然气中的乙烷和丙烷为原料的乙烯成本仅是石脑油等重质原料成本的30%,高压管输天然气进入城市门站分输需调压,调压过程中有大量压力能可利用。本文以某段高压管输天然气为原料,提出了处理量60×10⁴m³/h的轻烃分离回收工艺流程,综合考虑轻烃回收率、系统功耗、CO₂冻堵、冷箱传热温差等因素,优化操作参数,完成了系统能量的高效集成,实现了轻烃分离工艺的节能降耗。该方案C₂回收率达90%以上,可为乙烯装置提供优质的乙烷等轻烃原料50.75万吨/年,有利于解决乙烯工业发展的原料瓶颈,提高天然气、乙烯工业的整体经济效益。     

低碳烷烃烯烃在超微孔柔性Cu(Qc)2上的吸附行为

采用实验研究与分子模拟相结合的方法研究了低碳烷烃烯烃在超微孔柔性Cu(Qc)₂上的吸附热力学、动力学和吸附分离机理。用常温合成方法制备了超微孔金属-有机骨架材料Cu(Qc)₂,测定了低碳烷烃烯烃（CH₄/C₂H₄/C₂H₆/C₃H₆/C₃H₈）在Cu(Qc)₂上的吸附相平衡和吸附动力学。使用Materials Studio中的Fortcite模块模拟低碳烷烃烯烃在超微孔柔性Cu(Qc)₂上的吸附机理以及材料的结构形变。结果表明Cu(Qc)₂具有优良的C₂H₆ /C₂H₄吸附选择性和吸附动力学,而对C₃H₈ /C₃H₆的吸附选择性很低。273 K和0.1 MPa下,C₂H₆/C₂H₄在Cu(Qc)₂上的IAST选择性达4.6。298 K和0.05 MPa下C₂H₆/C₂H₄在Cu(Qc)₂上的扩散时间常数分别达1.42×10^-3和1.48×10^-3_{s^-1,扩散活化能分别为16.62 和16.43 kJ/mol。应用装填Cu(Qc)2的固定床可在常温条件下实现C2H6 /C2H4二元混合气的完全分离。模拟结果显示Cu(Qc)2为二维堆叠结构,材料会由于吸附不同分子而发生不同程度的结构形变。甲烷易从变大的层间扩散脱附,导致其在材料上的吸附量很低;C2H6/C2H4两者都能稳定吸附在层中的孔道中,其分离推动力主要来源于两种气体在材料上明显的吸附热差异;C3H8/C3H6会分别吸附在两种不同的环境,吸附热差异小导致Cu(Qc)2对C3H8 /C3H6的吸附选择性低。}     

利用LNG冷能的轻烃分离高压流程

利用LNG冷能能以较低的能耗分离回收其中高附加值的C₂⁺轻烃资源,同时实现LNG气化,是LNG冷能利用的有效方式。本文提出一种新型的利用LNG冷能的轻烃分离流程,脱甲烷塔在较高的压力下运行,从而分离出的富甲烷天然气能以较低能耗压缩到管输压力;脱乙烷塔在常压下运行,可以直接得到常压液态乙烷及LPG产品,方便产品的储运。脱甲烷塔中再沸器的热耗由燃气提供,经计算只需消耗1%左右的天然气;脱乙烷塔中冷凝器所需的冷量由LNG提供。该流程轻烃回收率可达90%以上,其中乙烷回收率可达85%左右。以某气源组分为基础,考察了乙烷含量和乙烷价格变化对装置经济性的影响,结果表明,使用该流程进行轻烃回收效益可观。     

FeTPPs-CuBTC协同强化低浓度煤层气吸附分离

高效分离CH₄/N₂混合物是实现低浓度煤层气利用的关键之一。基于原位封装策略采用一锅法将FeTPPs成功封装至CuBTC的孔隙中,通过两者的协同作用达到强化CH₄/N₂混合气体吸附分离的目的。实验结果显示,FeTPPs的封装增强了吸附剂与CH₄间的相互作用反而削弱了吸附剂与N₂间的相互作用,因此FeTPPs的封装有利于CH₄/N₂混合气体的吸附分离。基于理想吸附溶液理论(IAST)计算发现,在几乎不损失CH₄吸附量的情况下,常温常压下FeTPPs@CuBTC复合材料对CH₄/N₂混合气体的吸附选择性可达5.4,是CuBTC的1.28倍,也高于目前已报道的大部分zeotile和MOF材料。证实了FeTPPs封装策略在低浓度煤层气分离领域的应用潜力,也为新型吸附剂材料的开发提供了新的设计思路。     

CH4/C2H6/C3H8在MOF-505@5GO上吸附相平衡和选择性

应用溶剂热法合成了不同氧化石墨烯（GO）负载量的MOF-505@GO复合材料,分别采用全自动表面积吸附仪、P-XRD、SEM和Raman对材料进行了性能表征,测定了CH₄、C₂H₆和C₃H₈在MOF-505@GO上的吸附等温线,并进行Langmuir-Freundlich方程拟合,依据IAST理论模型计算了C₂H₆/CH₄和C₃H₈/CH₄二元混合气在MOF-505@5GO上的吸附选择性。研究结果表明,随着GO负载量增大,MOF-505@GO复合材料的孔容及BET比表面积先增大后减小,当GO负载量为5%（质量）时,复合材料MOF-505@5GO的孔容及BET比表面积达到最大,当GO负载量进一步增大至8%（质量）和10%（质量）时,复合材料的孔容及BET比表面积逐渐降低。在0.1 MPa和298 K条件下,MOF-505@5GO对CH₄、C₂H₆和C₃H₈的吸附容量分别为0.88、4.81和5.17 mmol·g^-1,相比MOF-505分别提高了14.9%、30.7%和13.1%。MOF-505@5GO对C₂H₆/CH₄和C₃H₈/CH₄的吸附选择性分别为40.1和3056.1,其对C₂H₆/CH₄和C₃H₈/CH₄具有极高的吸附选择性。     

基于MOFs材料的低碳烃（C1~C3）分离研究进展

低碳烃（C₁~C₃）混合物的分离和纯化是化工过程中最重要且耗能最大的过程单元之一,开发温和条件下低能耗高选择性吸附分离C₁~C₃分子的固体吸附材料迫在眉睫。金属有机框架材料（MOFs）作为一类相对新颖的多孔有机-无机杂化材料,因其可控的拓扑结构和多样的化学微环境,在低碳烃分离和纯化领域受到广泛关注。本文概述了MOFs作为分离和纯化低碳烃气体吸附剂的特性,重点关注了MOFs材料在C₁（CO₂/CH₄）、C₂、C₃烯/烷烃以及烯/炔烃分离领域的应用进展。首先归纳了MOFs材料在C₁~C₃烃类物质分离过程中的三种常见分离机制,并据此回顾了近年来MOFs材料对常见C₁~C₃烃类分子的吸附及分离性能;分析了MOFs材料在C₁~C₃烃类物质分离过程中的构效关系,总结了MOFs材料的孔道尺寸/形状、骨架柔性和表面功能的调控理念与方法,并提出MOFs材料成本高、水热稳定性差、主客体关系难以精准探测等制约其应用发展的现状。文章指出未来研究重点为开发低成本多样化专一性的新型配体,构造复合型吸附剂,并明确吸附分离过程中分离体系主客体性质,为MOFs材料用于低碳烃分离的定向设计提供了探索方向。     

温度对MOF-74(Ni)吸附分离丙烯丙烷机理和选择性的影响

采用水热法成功制备了MOF-74(Ni),使用PXRD、孔径分析对材料进行了表征,测定了材料在不同温度下的C₃H₆和C₃H₈吸附等温线,应用程序升温脱附技术估算了脱附活化能,并使用IAST理论预测了材料对C₃H₆/C₃H₈二元体系的吸附选择性。讨论了温度对吸附机理和吸附选择性的影响。结果显示,MOF-74(Ni)的BET比表面积高达1306 m²·g^-1。在298 K下,C₃H₆的吸附量高达7.4 mmol·g^-1。随着温度升高,C₃H₈的吸附量大幅降低,而C₃H₆的吸附量下降程度较小,导致材料对C₃H₆/C₃H₈吸附选择性升高。当温度为328K时,MOF-74(Ni)对C₃H₆/C₃H₈二元气体混合物的吸附选择接近12。程序升温脱附的实验结果显示,C₃H₆在MOF-74(Ni)上的脱附活化能大于C₃H₈,分别为68.92 kJ·mol^-1和50.80 kJ·mol^-1。C₃H₆是通过与MOF-74(Ni)的不饱和金属位点Ni²⁺以p络合作用方式吸附,作用力较强,而C₃H₈与Ni²⁺之间的作用力较弱。根据吸附机理不同的特点,适当提高温度,将有助于提高MOF-74(Ni)吸附分离C₃H₆/C₃H₈混合物体系的吸附选择性。     

一种新的颗粒炭材料的制备及其高效分离甲烷氮气性能

主要围绕从低品位煤层气中回收分离低浓度的CH₄这一重要需求,探索以生物质为碳源研制具有优良CH₄/N₂分离性能的颗粒炭吸附剂。选择大米碎粒作为碳源,通过碳化制备颗粒状炭前体,然后应用CO₂进行活化,制备出大米基颗粒炭材料（GRCM）,研究其吸附分离CH₄/N₂的性能。所制得的颗粒炭材料具有较窄微孔分布,其中样品GRCM-900的BET比表面积为938.529 m²/g。FT-IR分析结果显示大米基颗粒炭表面含有羟基及羰基等含氧官能团。其CH₄吸附容量和CH₄/N₂吸附选择性分别高达1.32 mmol / g和5.68（在298 K和100 kPa条件下）,优于大多数已报道的粉末状炭材料和MOF材料。分子模拟揭示了甲烷和氮气在GRCM炭材料狭缝孔道中的吸附构型和差异。固定床实验证实,应用GRCM炭材料可以在常温条件下有效地分离CH₄/N₂混合物,所制得的颗粒GRCM在从低品位煤层气中回收CH₄方面有很好的应用前景。     

羧酸改性HKUST-1提高甲烷吸附容量

为提高吸附材料对甲烷的吸附容量,采用溶剂热法合成了金属有机骨架材料HKUST-1,并进行了改性研究。HKUST-1的优化合成工艺条件为：原料摩尔比n（Cu（NO₃）₂·3H₂O）：n（H₃BTC）：n（DMF）：n（C₂H₅OH）：n（H₂O）=1.7：1：46：60：100,晶化温度为80℃,晶化时间24 h。合成HKUST-1在25℃、3.5 MPa下的甲烷吸附容量为11.9 mmol/g。乙酸改性HKUST-1可以提高甲烷吸附容量,当反应母液中V_HAc/V_solvent=5.8%时,合成HAc-HK-1（5.8%）的甲烷吸附容量达到12.6 mmol/g。分子模拟结果表明,加入乙酸可以调控HKUST-1晶体孔道结构,增大比表面积和孔容,提高甲烷吸附容量。     

一种具有高CO吸附容量和高CO/N2及CO/CO2分离选择性的CuCl@β吸附剂

研制了一种新型的CuCl@β分子筛吸附剂材料,它不仅对CO有着高吸附容量,而且对CO/N₂和CO/CO₂的二元混合气有着高吸附选择性。利用自发单层分散的原理制备了一系列的CuCl@β分子筛材料,分别应用氮气吸附以及XRD进行表征。CO在CuCl@β分子筛上吸附等温线和动态透过曲线分别通过静态吸附和固定床实验获得。依据IAST理论模型计算了CuCl@β分子筛对CO/N₂二元混合物和CO/CO₂二元混合物的吸附选择性。研究结果表明:(1)氯化亚铜的负载增强了一氧化碳在CuCl@β分子筛上的吸附容量,其最佳负载量为0.4 g·g^-1。(2)CuCl@β分子筛吸附剂在增强CO的吸附量的同时,还降低了对二氧化碳和氮气的吸附。由于Cu⁺-CO π位络合键的存在,提高了CuCl@β分子筛对二元混合物CO/N₂和CO/CO₂的吸附选择性。(3)在低压下(0～10 kPa)下0.4CuCl@β分子筛对CO/N₂和CO/CO₂的吸附选择性分别高达1600～5200和120～370,远大于原始的β分子筛。CuCl@β分子筛对CO有着超高吸附容量以及吸附选择性,将会是一种很有潜力的CO分离提纯材料。     

Free-radical reactions involved in C1-C3 hydrocarbons interaction with oxide catalysts

Experimental proofs of a free radical mechanism in methane oxidative coupling, with homolytic rupture of the C---H bond are given. High concentrations of free radical sites are produced by mechanical milling of SiO₂. A study of C₁---C₃alkanes interaction with these sites allows to simulate the, processes of alkanes oxidation and oxidative dehydrogenation. The reactivity of ethane and propane is higher than that of methane in accordance with the Polanyi-Semenov rule. Oxidative dehydrogenation of ethane is studied on Cd-containing zeolites. CH₄, C₂H₆ and C₃H₈ oxidative dehydrogenation by O₂ or CO₂ is studied on a MNO/SiO₂ catalyst. The initiation of radical reactions of hydrocarbons on Cl-containing catalysts proceeds via chlorine atoms generation.     

真实吸附溶液理论预测CH4-C2H6在活性炭上的吸附平衡

采用容积法测试了纯CH₄和C₂H₆在204-Ⅱ活性炭上的吸附等温线,温度为293 K,压力范围为0～4 MPa。采用捕集法测试了CH₄-C₂H₆混合体系293 K、0～1.1 MPa条件下在204-Ⅱ活性炭上的吸附平衡数据,其中CH₄浓度范围34.0%～95.2%。引入描述吸附相自身非理想性的真实吸附溶液模型(RAST),结合描述吸附剂表面势场不均一的孔径分布模型(MPSD),建立了MPSD-RAST模型,其中RAST模型中的活度因子使用Wilson方程和NTRL方程计算。采用MPSD-RAST模型对CH₄-C₂H₆吸附平衡数据进行了预测,并与理想吸附溶液模型(IAST)和MPSD-IAST模型进行了对比分析。结果表明,对于轻组分CH₄,MPSD-RAST模型预测平衡吸附量和摩尔分数的精度明显优于IAST和MPSD-IAST模型;对于重组分C₂H₆,IAST、MPSD-IAST和MPSD-RAST 3种模型的预测偏差均低于5%。研究结果表明,预测混合气体的吸附平衡,吸附相自身非理想性是必须考虑的重要因素。     

甲烷、乙烷、丙烷和丁烷在中孔活性炭上的吸附平衡

以活性炭AC1为吸附剂,在体积法实验装置上分别测定了其对甲烷、乙烷、丙烷和丁烷4种气体的吸附等温线,吸附温度分别为283、293、303和313 K。利用77 K吸附氮气数据表征AC1,得到其比表面积为956 m²·g^-1,孔体积为1.36 mL·g^-1,孔径分布在1~5 nm,中孔的比例达到了61%。AC1对4种气体的吸附等温线均为I型等温线,分别采用Langmuir方程和Langmuir-Freundlich方程(简称L-F方程)对吸附平衡数据进行拟合,结果表明,L-F方程具有更好的拟合效果,为后序的多组分吸附平衡研究提供了基础数据。AC1对乙烷/丙烷的吸附平衡选择性系数在1.7~2.5,吸附选择性随吸附压力的增大而减小,吸附温度对吸附选择性无明显影响。     

Designed synthesis of porous carbons for the separation of light hydrocarbons

The separation of light hydrocarbon mixtures (C₁-C₃) generated from petrochemical industry is vital and challenging process for obtaining valuable pure chemical feedstocks. In comparison to the energy intensive conventional separation technologies (cryogenic distillation, absorption and hydrogenation), the adsorptive separation is considered as a low energy cost and high efficiency process. Porous carbons have been demonstrated as excellent adsorbents for the separation of light hydrocarbons, owing to their designable structure and tailorable properties. This review summarizes the recent advances of using porous carbons as adsorbents for the separation of light hydrocarbons, including methane/nitrogen, methane/alkane, methane/carbon dioxide, ethylene/ethane and propylene/propane. We discuss the separation mechanisms and highlight the material features including pore structure, surface chemistry and target molecular properties that determine the separation performance. Furthermore, the challenges and development direction associated with carbonaceous adsorbents for light hydrocarbon separation are discussed, meanwhile the guidelines for the design of porous carbons are proposed.     

FeTPPs-CuBTC协同强化低浓度煤层气吸附分离

高效分离CH₄/N₂混合物是实现低浓度煤层气利用的关键之一。基于原位封装策略采用一锅法将FeTPPs成功封装至CuBTC的孔隙中,通过两者的协同作用达到强化CH₄/N₂混合气体吸附分离的目的。实验结果显示,FeTPPs的封装增强了吸附剂与CH₄间的相互作用反而削弱了吸附剂与N₂间的相互作用,因此FeTPPs的封装有利于CH₄/N₂混合气体的吸附分离。基于理想吸附溶液理论(IAST)计算发现,在几乎不损失CH₄吸附量的情况下,常温常压下FeTPPs@CuBTC复合材料对CH₄/N₂混合气体的吸附选择性可达5.4,是CuBTC的1.28倍,也高于目前已报道的大部分zeotile和MOF材料。证实了FeTPPs封装策略在低浓度煤层气分离领域的应用潜力,也为新型吸附剂材料的开发提供了新的设计思路。     

Zn/NaHZSM-5沸石在C5～C8链烷烃芳构化反应中的催化性能

采用氨气程序升温脱附（NH₃-TPD）、紫外-可见光谱和小型固定床反应器，重点研究了碱金属钠离子和过渡金属锌离子改性对纳米H-ZSM-5沸石表面酸性及其催化C₅～C₈链烷烃芳构化反应性能的影响。结果表明，用碱金属钠离子改性能够有效地消除沸石表面的强酸中心，适当降低催化剂表面酸量，从而减少甲烷、乙烷和丙烷等低值副产物的生成，优化芳构化反应产物分布。适宜的Zn²⁺负载量为3%（质量分数），过高的Zn²⁺负载量会使产物中干气生成量增大，不利于芳烃收率的提高。C₅～C₈链烷烃芳构化的适宜反应温度为530℃。     

Extraction of ethane from natural gas at high pressure by adsorption on Na-ETS-10

Methane/ethane separation was achieved using Na-ETS-10 as a packed-bed adsorbent over a pressure range of 450–5600 kPa at 298 K. At these pressures, pure methane gas raffinate streams were obtained prior to ethane breakthrough. The extract phase obtained following desorption from the packed-bed column was enriched in ethane. Extract phases containing up to 75% ethane were achieved following separations of a 93/7 methane/ethane feed mixture. Separation performance did not deteriorate as adsorption column pressures increased. Selective adsorption of a synthetic natural gas mixture using an Na-ETS-10 packed-bed column resulted in hydrocarbon outlet compositions ranging from pure methane (up to ∼60 bed volumes at standard temperature and pressure) to ∼93% methane, ∼5% ethane and ∼2% propane (∼150 to ∼850 bed volumes at standard temperature and pressure). In all cases, following desorption, the extract phase was highly enriched in the larger and more valuable hydrocarbons.