甲烷与氮气吸附分离研究进展

介绍了CH₄/N₂的分离原理和方法,对比分析了深冷分离法、水合物分离法、膜分离法、溶剂吸收法和吸附分离法等的优劣势,吸附分离法相比其他分离方法具有能耗低、运行成本低和稳定性高等优点,但吸附分离材料性能仍存在提升空间。重点总结了金属有机骨架(MOFs)、分子筛与炭基吸附材料3类典型CH₄/N₂吸附分离材料的国内外研究进展,深入探讨了当前吸附分离材料面临的挑战及未来发展趋势,指出了金属有机骨架材料兼具分子筛和活性炭的优势,发展前景广阔。     

变压吸附法回收氮气中的微量甲烷:实验与模型

利用以活性炭为吸附剂的双塔变压吸附(PSA)实验装置对从甲烷含量很低的氮/甲烷混合气中富集甲烷进行了研究。结果表明,从甲烷体积含量为1%的氮/甲烷混合气经过两阶段PSA过程后,能够得到甲烷体积含量大于30%的浓缩气,作为燃料可以用于电厂的发电。对此吸附过程进行了分析模拟,提出了一个包含轴向扩散系数的吸附模型。根据模型计算得到的穿透曲线与实验结果基本一致。     

煤层气单塔吸附过程的模拟

采用Aspen Adsorption软件建立了φ(CH_4)为20%煤层气的吸附非等温模型,研究了单塔穿透吸附过程的动态模拟,考察了床层温度、甲烷和氮气的吸附量以及气速等参数的分布规律。结果表明:穿透曲线的模拟结果和实验基本符合。床层相同位置处、同一时间内吸附相和气相温度变化相似,且随时间的推进,各段温度先升高后降低,最终趋于稳定,温度变化幅度为5~15℃。吸附前期,甲烷吸附处于竞争优势,在吸附时间750s时吸附达到饱和,吸附量为0.653mol/kg,约为氮气吸附量的2倍。在150s之前,床层出口段气速始终小于入口段,随时间的增长,进口段气速优先升高,其他段气速随后,待750s后床层吸附达到饱和,此时,各段气速稳定并保持在一个较高的水平。     

提高煤矿抽放煤层气甲烷浓度的变压吸附技术的理论研究

煤层气中的甲烷是一种优质的气态燃料和化工原料,但是我国抽放煤层气中甲烷浓度大多数情况下都很低,严重制约了煤层气的综合利用。变压吸附(PSA)技术以其独特的优势已成为人们关注的煤层气分离提纯的技术。本文采用计算机模拟的方法对模拟的抽放煤层气(CH4-N2混合气体)提浓甲烷的PSA全过程进行了模拟,从理论上较为全面地分析了PSA过程操作参数对甲烷提浓的影响,为煤层气的实际分离过程提供一定的设计依据。     

焦炉煤气甲烷化工艺过程的Aspen Plus模拟

利用化工流程模拟计算软件Aspen Plus,对焦炉煤气合成天然气甲烷化工艺流程进行模拟计算分析,建立了工业过程详细流程,提供了流程模拟所用的物性参数及相关反应数据,模拟结果与实际试验数据吻合,很好的说明了模拟的可靠性。考察循环比和副产蒸汽压力变化等操作条件对反应器内催化剂床层温度的影响。     

改性煤变压吸附分离煤层气中甲烷的研究

通过对中梁山改性煤样在不同流速下的穿透实验,得到了该煤样的吸附柱穿透曲线,建立了等温条件下的非线性柱动力学穿透模型,并通过MATLAB求解软件对该模型进行了数值求解。采用中梁山改性前后煤样、松藻改性煤和活性炭作为吸附剂对模拟煤层气进行变压吸附浓缩分离研究表明,对于低浓度的煤层气而言,采用中梁山酸碱改性煤样在提纯低浓度煤层气实验中优于活性炭。     

煤基合成气甲烷化工艺流程的Aspen Plus模拟及分析

利用Aspen Plus软件搭建了典型煤基合成气循环甲烷化工艺流程。通过灵敏度分析考察了汽气比、分流比、回流比这三个温度调控参数对平行的一段和二段甲烷化反应的综合影响,初步分析了调控参数的变化与催化剂性能、能耗、经济性的联系,以期为甲烷化工程项目的顺利实施起到一定的指导及借鉴作用。     

利用ASPEN-ADSIM模拟变压吸附分离过程

参照变压吸附气固相平衡图,利用ASPEN ADSIM流程模拟软件建立一个虚拟的三组分体系单塔变压吸附分离模拟模型。模型模拟得到了塔内气相组成、出口浓度、塔的压力状态等的动态结果,揭示了在升压、吸附、降压、冲洗等步骤中吸附塔内气相的变化过程,很好的描述了变压吸附分离过程。该模型通过结合具体物性参数,能够为实际工程分离方案选择、步骤设计提供模拟和预测。     

烃源岩吸附甲烷实验研究

根据物质平衡原理,设计了一套测量岩石吸附天然气量的实验装置。用这套装置对灰岩、泥岩、Ⅰ型干酪根、Ⅱ型干酪根等4种样品在不同温度(25～150℃)、压力(1～32MPa)条件下对甲烷的吸附量进行了测定,得到各种样品的吸附等温线.从实验结果可以看出,泥岩的吸附量大于灰岩,干酪根的吸附量远大于泥岩和灰岩;吸附量随温度的升高而降低,随压力的升高而增加 采用Langmuir模型来描述各种样品对甲烷的吸附,对模型进行了标定,得到了吸附模型。     

甲烷和氮气在微波等离子体下的转化研究

运用微波等离子体技术研究了甲烷和氮气的化学反应。考察了反应条件对产物选择性和甲烷转化率的影响。甲烷转化率随着微波输入功率的增大和反应物配比 (n(CH4) /n(N2 ) )的减小而增大 ;在最佳条件下 ,甲烷转化率达96 2 %。HCN选择性随着n(CH4) /n(N2 )比的增大而降低 ;在n(CH4) /n(N2 ) <0 995时 ,HCN为主产物 ,且HCN的选择性随微波输入功率的增大而减小 ,在最佳条件下 ,HCN选择性达 91 4% ;在n(CH4) /n(N2 ) >0 995时 ,C2 H2 为主产物 ,然而HCN选择性随着微波输入功率的增大而增加。C2 H2 选择性随着微波输入功率的增大而增加 ,随着n(CH4) /n(N2 )的增大出现极大值 ;在最佳条件下 ,C2 H2 选择性达 72 77%。C2 H2 和C2 H6 的选择性随着微波输入功率的减小和n(CH4) /n(N2 )的增大而增加。对甲烷、氮气等离子体的电子温度和电子密度进行了诊断 ,并运用自由基反应理论解释了反应条件对甲烷转化率和产物选择性的影响。     

基于Aspen Adsorption的乙醇变压吸附脱水工艺模拟

以84.2%(x)的乙醇蒸气为原料,基于Aspen Adsorption软件,研究了乙醇变压吸附脱水工艺,得到不同时刻吸附剂水吸附量轴向分布,并通过求解吸附塔利用率确定了乙醇变压吸附脱水工艺的操作周期,考察了吸附压力、吸附剂体积对乙醇变压吸附脱水工艺的影响。实验结果表明,乙醇变压吸附脱水的吸附周期与吸附塔在不同时刻水的吸附量有关,确定乙醇变压吸附脱水的操作周期为15 800 s;吸附塔的利用率为1时,吸附塔吸附饱和,出口气组成和原料气组成相同;提高乙醇变压吸附脱水的操作压力可增加吸附塔的气体处理量,但同时增加了原料气预热的能耗;吸附剂体积增大时,扩散对传质系数的影响增大,需减少模拟所用传质系数。     

变压吸附循环稳定状态的模拟

用建立的多组分主体分离的平衡模型，对氨厂弛放气提氢变压吸附工艺的循环过程进行了模拟。对选择的计算实例，通过５个循环的模拟基本上达到了循环稳定状态。对模拟结果的分析表明，理论上是合理的，并且符合于实验测定的吸附和解吸规律，因此本模拟是适用的。     

变压吸附流体力学模拟

通过流体力学方法对变压吸附(PSA)系统进行模拟与优化。采用一维瞬态流体力学建立了PSA均压过程的理论模型,对PSA均压过程进行了模拟研究,得出均压时间随均压管道直径、吸附塔的体积、气体的组分等因素的变化关系,为均压管道的计算提供理论依据;采用计算流体力学对气体分布器的流场进行了模拟研究,并根据流场的特点开发了新型气体分布器,且计算结果显示流场分布较好;另外,对程控阀的流道进行了模拟研究,并根据模拟结果对流道进行了优化,结果显示,优化后的流道克服了原流道的弊端。     

纳米孔隙中页岩气扩散模拟实验和数学模型分析

深层页岩气在纳米孔隙中的扩散行为分为体相扩散（Fick和Knudsen扩散）和表面扩散。为了定量评价温度、压力等对扩散系数的影响,揭示深层页岩气的保存机理,以南方鄂西秭归茅坪地区寒武系牛蹄塘组页岩为实验对象,在不同温压条件下,通过等压扩散实验对纳米孔隙甲烷扩散进行实验模拟。结果表明：（1）扩散系数D_F随压力增大而减小（当压力大于30 MPa时,D_F趋于平稳）,随温度升高而增大;（2）在高温高压环境下,D_F受压力影响更大,总体趋于减小。随后,定量考虑了温度、压力、孔隙及岩性特征对各种扩散行为的影响,建立了数学模型。该模型与模拟实验结果相似,可以相互验证：（1）温度升高促使分子动能增大,导致体相和表面扩散系数都增大,而压力增大虽然会使Fick扩散和表面扩散作用稍微加强,但会显著限制Knudsen扩散并最终导致总扩散作用降低;（2）孔径增大加强了体相扩散作用,削弱了表面扩散作用。最后,结合具体研究区块,认为深层高压环境有利于页岩纳米孔隙气藏的保存,而地层抬升释放压力的过程是页岩气散失的主要阶段。     

两床变压吸附空分制氧过程的模拟

通过动态柱穿透法测定空气中氮/氧吸附平衡数据,并应用于实验室规模的两床变压吸附(PSA)空分制氧过程的模拟;在PSA过程模拟中探讨了吸附压力、吸附时间、充压时间、进料流量和冲洗比等过程操作条件对产品气氧的纯度、收率和产率的影响,为PSA空分制氧过程提供一定设计依据。     

变压吸附氢提纯装置的运行问题分析及对策

对中国石化金陵分公司变压吸附氢提纯装置在运行初期出现意外停车的原因（铵盐结晶、解吸气中氢气含量偏高、解吸气流量不稳、氢气压缩机气缸磨损等）进行了详细的分析,并提出了相应的改进措施,以保证装置的平稳运行。     

干酪根及黏土单矿物对甲烷吸附能力的差异性

页岩气主要以游离气和吸附气的形式存在于富含有机质的泥页岩中。目前,国内外在干酪根和黏土矿物对甲烷吸附能力的差异性研究方面还比较薄弱。由此提出了将干酪根和黏土矿物进行分离的方法,对干酪根和不同黏土矿物分别进行等温吸附实验,研究单位质量的干酪根、伊蒙混层、高岭石、绿泥石和伊利石对甲烷吸附能力的差异性。结果表明：对甲烷吸附能力大小的次序为干酪根> 伊蒙混层> 高岭石> 绿泥石> 伊利石,有些样品干酪根吸附气量大于黏土矿物之和的吸附气量。随着温度的升高,干酪根和黏土单矿物对甲烷分子的吸附量有所下降。在同一温度下,干酪根吸附气量随镜质体反射率增大而增加,黏土矿物基本不受镜质体反射率的影响。     

含氧煤层气的液化及杂质分离

煤层气是一种新型清洁能源,但是大部分含氧煤层气由于加工处理技术的限制没有被合理利用,而是直接被放空,不仅造成了资源的浪费,而且还会严重污染大气环境。为了更好地合理利用含氧煤层气,针对大庆庆深气田含氧煤层气气源条件和组分特点,设计了一种新型的煤层气液化及杂质分离工艺流程,采用精馏塔在低温条件下脱除煤层气中的氧气和氮气,精馏塔塔顶冷凝器和塔底再沸器的能量都分别取自于流程中的制冷剂冷却系统和煤层气液化系统,且从塔顶流出的低温杂质气体返回换热器进行冷量回收。采用流程处理软件HYSYS模拟计算的结果表明,所设计的工艺流程能耗较低,精馏塔脱氧脱氮彻底,产品中甲烷纯度高,甲烷回收率较高,该工艺流程的气源适应性和操作安全性都较好。该液化工艺流程的设计为含氧煤层气的液化及杂质分离提供了一种参考方法。