油水乳液分离沼气实验研究

研究了柴油-水乳液体系在水合物生成条件下对沼气（CO₂/CH₄）中CO₂的捕集能力。阻聚剂Span20被加入到乳液中以分散水滴和水合物颗粒。综合考虑了温度、原料气组成、压力和乳液含水率对柴油-水乳液体系分离能力的影响。从实验结果可以看出,吸收-水合耦合分离效果明显优于单独的吸收分离,且分离平衡后,浆液中水合物分散均匀,流动性良好。乳液体系分离能力在一定范围内随着温度降低和含水率的增加而增强。综合考虑乳液分离能力和流动特性表明,温度270.15～272.15 K,体系含水率 20%～25%（vol）和初始推动力为3.2 MPa左右时为最合适的分离条件,在对应条件下经过两级模拟分离,气相中CO₂浓度能从31%（mol）降到近10%（mol）,超过87%（mol）的CO₂被水合物浆液捕集。     

撞击流反应器内快速生成甲烷水合物

为了快速制备甲烷水合物以利于天然气水合物法储运,在自行搭建的液相连续撞击流反应器内考察了纯水和纯水+十二烷基硫酸钠(SDS)2种体系中撞击强度、反应器内温度、初始压力对甲烷水合物快速生成的影响.实验结果表明:2种体系内撞击强度的增加可明显加快甲烷水合物的生成,在撞击强度为0.38、反应的前30 min,水合速率达到最大...     

水合物法提纯沼气技术研究进展

沼气是一种重要的可再生能源,对沼气进行充分高值利用对于缓解我国能源需求和环境压力具有重要意义。沼气在高值利用前必须进行脱碳提纯处理,本文介绍了一种可用于沼气提纯的新技术--水合物分离技术。介绍了水合物分离技术的基本理论,调研总结了水合物法提纯沼气和可用于沼气体系（CH₄/CO₂）的水合物分离技术研究进展,包括相平衡研究、热力学促进剂、动力学促进剂、机械强化、外场强化、添加多孔介质/纳米流体等和采用油/水乳液促进技术,并对各种水合物分离促进技术进行了分析：相平衡研究为水合物法提纯沼气提供了理论基础;合理地选用热力学和动力学促进剂能够有效改善气体水合物相平衡条件,促进水合物生成,增加储气效果和提高分离效率;机械强化及外场作用通过强化水合反应过程的传质传热效果促进水合物生成;添加多孔介质和纳米流体等能够增大气液接触面积,对水合过程发挥促进作用;采用油/水乳液不但能够强化气液接触,而且微乳状态下的水合物具有很好的流动性,具有良好工业应用前景。最后对水合物法提纯沼气技术进行了展望,水合物提纯沼气研究虽处在起步阶段,但随着研究的不断深入,该技术凭借操作条件温和,对原料气要求低,并且具有操作简单灵活、安全性高、环保无污染等优点,必将在我国沼气产业发展过程中发挥作用。     

季铵盐类化合物水合分离烟道气中CO2的实验研究

利用季铵盐类化合物[四丁基溴化铵（TBAB）、四丁基氟化铵（TBAF）]作为热力学促进剂对CO₂（9.06%,摩尔分数）+N₂（90.94%,摩尔分数）混合气体进行水合分离实验。结果表明：在279.15 K、2.0 MPa下,0.293% TBAF溶液中,CO₂能够在水合物相中富集到37.73%（摩尔分数）,分离因子13.23,回收率28.44%。TBAF对CO₂的富集程度和分离效果要优于TBAB。同时将实验结果与文献中季铵盐类化合物以及同样实验条件下四氢呋喃（THF）水合分离实验结果进行比较,发现本实验的分离效果要低于文献中CO₂-N₂-TBAB体系,分离因子高于同样实验条件下CO₂-N₂-THF体系,但回收率低于CO₂-N₂-THF体系。     

基于化学亲和力模型的水合物生成动力学

水合物生成促进及动力学模型是水合物利用技术的关键问题。本文回顾了水合物生成促进技术的发展,实验研究了氧化石墨烯（GO）与十二烷基硫酸钠（SDS）复配促进剂体系下CO₂水合物的生成动力学,揭示了不同浓度对水合物生成时间、耗气的影响规律。研究结果表明,在GO与SDS复配体系下,CO₂水合物生成速度加快,诱导时间和生成时间缩短,耗气量增大。得出最佳复配浓度为0.005%GO+0.2%SDS,与纯水和单一0.005%GO体系相比,水合物的生成时间分别缩短69.7%和12.2%,耗气量提高11.24%和3.2%。建立了该体系下CO₂水合物生成化学亲和力模型,并从模型角度研究了GO与SDS复配比例、温度和压力对化学亲和力模型参数的影响。利用Matlab对模型编程计算并与实验结果进行了对比分析,吻合很好。通过研究认为,化学亲和力模型可准确预测复配体系水合物的生成。     

玉米棒+四氢呋喃对IGCC合成气水合物生成动力学的影响

为了明确玉米棒颗粒与四氢呋喃(THF)对整体煤气化联合循环(IGCC)合成气气体水合物生成的协同作用,在温度276.15K、初始压力为6.0MPa的静态反应条件下,通过实验研究了玉米棒颗粒+THF溶液体系中气体水合物的生成动力学过程,并确定了不同THF浓度溶液条件下水合物的生成诱导时间、气体消耗量、CO₂分离效率及水合物的晶体结构。实验结果表明:玉米棒的存在会延长实验的稳定时间,且其压降幅度相较于不含玉米棒颗粒的体系更高;无论是否含玉米棒颗粒,诱导时间均在180s以内,且随着THF浓度上升到摩尔分数4.0%和5.6%,二者的诱导时间变得非常接近;玉米棒颗粒存在时,THF溶液的浓度越大,气体消耗量达到最终气体消耗量90%的时间则越短,且在相同THF浓度下,其所获得的气体消耗量和CO₂分离效率普遍比纯THF溶液体系高,这意味着玉米棒颗粒的存在提高了THF溶液对CO₂的分离效果。同时,微观结构分析表明无论是否含有玉米棒颗粒,THF溶液体系中所生成的IGCC合成气气体水合物的结构均为sⅡ型,纯水体系中生成的IGCC合成气气体水合...     

金属有机骨架材料在CO2/CH4吸附分离中的研究进展

CO₂/CH₄分离能耗高是生物甲烷过程核心难题之一。金属有机骨架材料（metal organic frameworks,MOFs）由于其优异的CO₂吸附分离性能,被视为最具潜力的CO₂分离捕集材料,近年来引起了广泛的关注。本文结合沼气的特点和MOFs研究的最新进展,对MOFs材料在CO₂/CH₄吸附分离过程的相关实验研究工作进行了综述。     

凹凸棒石体系下CO2水合物生成动力学实验

油气生产、储运及CO₂管道输送的过程中易生成CO₂水合物,添加抑制剂是预防CO₂水合物生成的有效手段。为解决CO₂水合物堵塞问题,本文采用超声波处理后的凹凸棒石作为抑制剂,利用可视化高压反应釜实验装置,在初始条件3 MPa和2℃下,研究了添加浓度为0、0.05mg/mL、0.30mg/mL、0.50mg/mL、0.75mg/mL、1.00mg/mL和1.50 mg/mL的凹凸棒石对CO₂水合物生成动力学的影响。用压力变化法测定了水合物生成诱导时间,用动力学模型计算了水合物生成量,并分析了凹凸棒石影响CO₂水合物生成的微观机理。实验结果表明凹凸棒石能延长CO₂水合物生成诱导时间,浓度为0.75mg/mL时作用效果最佳,较纯水体系CO₂水合物生成诱导时间延长了200%;凹凸棒石能减少CO₂水合物的生成量,浓度为1.5mg/mL时作用效果最佳,与纯水体系相比减少了12.8%。凹凸棒石抑制水合物生成的微观机理主要是由于其独特的选择吸附性以及对传质传热的阻碍。研究表明以凹凸棒石作为CO₂水合物抑制剂效果良好,能有效延长其诱导时间,兼具经济性和环境友好的特点。     

不同管径碳纳米管中CO2/CH4分离的分子模拟

生物甲烷路线在CO₂减排和节能方面有很大的应用前景。而对生物沼气的分离是此路线的一个关键问题,特别是在60℃和0.1 MPa下。巨正则Monte Carlo（GCMC）和平衡分子动力学（EMD）的分子模拟方法研究CO₂和CH₄在不同管径的碳纳米管（CNT）中的吸附和扩散,可以从分子层面研究生物沼气的分离机理。分别计算了CO₂/CH₄二元混合物吸附量、吸附选择性、自扩散系数和渗透选择性等参数。模拟结果表明：由于碳管的受限空间和CO₂与碳纳米管壁面分子之间强相互作用,导致二元等物质的量的混合物CO₂/CH₄的吸附量和扩散系数的差异。CO₂的吸附量和自扩散系数都比CH₄的大。渗透选择性在碳管管径达到最接近1 nm时达到最大值,此时混合物的分离过程是吸附控制,而非扩散控制。     

水合物法平衡级分离CO2/N2流程模拟分析

化石燃料燃烧排放烟气中CO₂的量占CO₂总排放量的75%,为了缓解CO₂导致的全球温室效应,需将CO₂/N₂中的CO₂分离出来。水合物法分离是一种高效、低能耗的CO₂/N₂分离技术。本文研究了水合物法平衡级分离CO₂/N₂过程中,进料CO₂体积分数、反应条件与反应特性三者间的关系,利用CPA-SRK方程+Chen-Guo模型对其进行平衡级分离流程模拟分析。经计算发现,进料干基CO₂体积分数对水合物法分离CO₂/N₂工艺的反应压力、平衡级级数均有较大影响。随着体积分数的增加,反应压力呈减小趋势,减小幅度随体积分数增加而减小,当进料CO₂体积分数小于20%时,压力下降较快,当体积分数大于50%时,压力降低幅度变小。温度为277K时,CO₂体积分数小于10%时,需四个水合物平衡级分离才能得到满足要求的气样;当体积分数为10%~20%时,需三个水合物平衡级分离;体积分数大于30%时为两个水合物平衡级分离。温度对水合分离的反应压力有较大影响,但对所需平衡级分离级数的影响并不大。随着温度的升高,水合反应压力呈增加趋势,增加幅度随进料干基CO₂体积分数的增加而降低。针对所研究气样,在不同温度下,均需三个水合物平衡级分离才能达到工艺要求。     

The combination of 1-octyl-3-methylimidazolium tetrafluorborate with TBAB or THF on CO2 hydrate formation and CH4 separation from biogas

[C₈min] BF₄ was used in this work to combine with TBAB or THF for the investigation about thermodynamic and kinetic additives on CO₂ and CH₄/CO₂ hydrates. The results show that[C₈min] BF₄ has the inhibition effect on the equilibrium of hydrate formation. About the kinetic study,[C₈min] BF₄ could improve the rate of CO₂ hydrate formation and increase the gas uptake in hydrate phase. At the same time, the combination of TBAB and[C₈min] BF₄ could increase the mole friction of CH₄ in residual gas comparing with the data in THF solution. CH₄ separation efficiency was strongly enhanced. Since that the size of CO₂ and CH₄ molecules are similar, CH₄ and CO₂ could form the similar hydrate, so the recovery of CH₄ from biogas decreases lightly. The CH₄ content in biogas can purified from 67 mol% to 77 mol% after one-stage hydrate formation. In addition, the combination of THF and[C₈min] BF₄ do not have obvious promoting effect on CH₄ separation comparing with the gas separation results in pure THF solution.     

Ni-CeO2-K/γ-Al2O3催化剂上沼气联合重整制合成气

采用超声波辅助等体积浸渍法制备Ni-CeO₂-K/γ-Al₂O₃催化剂用于沼气联合重整反应,采用 BET、XRD、TG/DTG等技术对催化剂性质进行了表征,在微型固定床反应装置中研究了反应温度、体积空速、原料气组成等对沼气联合重整反应特性的影响,并对催化剂的稳定性进行了研究。结果表明,助剂CeO₂的加入,提高了催化剂中Ni的分散度,降低了催化剂还原温度。升高反应温度和减小体积空速,能够提高沼气中CH₄和CO₂的转化率;原料气中加入水蒸气,能够明显提高H₂/CO体积比;加入的O₂容易与H₂、CO发生反应,CH₄转化率稍有提高。在常压、反应温度850℃、体积空速为100000h^-1、摩尔比CH₄∶CO₂∶H₂O∶O₂∶Ar=1∶0.5∶0.5∶0.1∶0.01的优化条件下,沼气中CH₄转化率超过95%,CO₂转化率超过75%,生成合成气H₂/CO体积比约为1.6,反应48h后,催化剂未见积炭,保持稳定的活性。与沼气干重整相比,沼气联合重整不利于沼气中CO₂的转化。     

注CO2+N2混合气改造-开采CH4水合物储层

盖层不封闭且胶结弱是海域天然气水合物储层开采面临的挑战之一。直接降压开采所得气水比低,还可能引发储层失稳。对此,一种基于水合物原理的储层改造方法被提出,即向水合物储层上方注入CO₂形成人工CO₂水合物盖层,从而构造出一个相对封闭的开采环境。在前期工作基础上,本文研究了注入CO₂+N₂混合气改造-开采CH₄水合物储层的可行性。研究结果表明注入混合气体能够形成渗透性低、稳定性好的CO₂水合物盖层,可以有效降低降压开采过程中的产水量及提高CH₄采收率。当注入的混合气中N₂比例较高时,过量的N₂对CH₄水合物的分解存在促进作用,但N₂随甲烷采出增加了后续的分离难度。当注入的混合气中CO₂的比例较高时,人工盖层阻水效果更强,但CO₂产出量也随之增加,且限制了CH₄采收率的进一步提高。后续研究需要进一步优化注-采工艺条件来提高开采效率和降低气体分离能耗。     

GO-TSC/聚酰亚胺混合基质膜的制备及气体分离性能研究

使用氨基硫脲（TSC）对氧化石墨烯（GO）进行改性,制备GO-TSC层状复合材料。随后,将该复合材料加入到Matrimid^®5218（PI）基质中,制备用于二氧化碳分离的混合基质膜（MMMs）。通过TGA、SEM及气体分离性能测试考察了GO-TSC对膜热稳定性、结构和气体分离性能等的影响。SEM结果显示GO-TSC可均匀分散在聚合物基质上并与基质紧密结合;TGA结果显示混合基质膜在250 ℃以上仍保持稳定。与纯PI膜相比,MMMs显著增强了二氧化碳的渗透性。GO-TSC中所含的氨基与二氧化碳具有良好的亲和力,增加的碱性位点可以有效地转运二氧化碳。GO-TSC的层状结构增加了气体的传输路径,不利于大动态直径气体（甲烷、氮气）的通过,从而提高了分离性能。GO-TSC负载量为0.75%（质量分数）时混合基质膜的分离性能最佳。相比较纯PI膜,混合基质膜的二氧化碳渗透系数和二氧化碳/甲烷、二氧化碳/氮气分离系数分别提高了42.16%、95.79%和83.72%。     

High-performance SSZ-13 membranes prepared using ball-milled nanosized seeds for carbon dioxide and nitrogen separations from methane

SSZ-13 membranes with high separation performances were prepared using ball-milled nanosized seeds by once hydrothermal synthesis. Separation performances of SSZ-13 membranes in CO_2/CH_4 and N_2/CH_4 mixtures were enhanced after synthesis modification. Single-gas permeances of CO_2, N_2 and CH_4 and ideal selectivities were recorded through SSZ-13 membranes. The effects of temperature, pressure, feed flow rate and humidity on separation performance of the membranes were discussed. Three membranes prepared after synthesis modifications had an average CO_2 permeance of 1.16 × 10~(-6) mol·(m~2· s·Pa)~(-1)(equal to 3554 GPU) with an average CO_2/CH_4 selectivity of 213 in a 50 vol%/50 vol% CO_2/CH_4 mixture. It suggests that membrane synthesis has a good reproducible. The membrane also displayed a N_2 permeance of 1.07 × 10~(-7) mol·(m~2·s·Pa)~(-1)(equal to 320 GPU) with a N_2/CH_4 selectivity of 13 for a 50 vol%/50 vol% N_2/CH_4 mixture. SSZ-13 membrane displayed stable and good separation performance in the wet CO_2/CH_4 mixture for a long test period over 100 h at 348 K. The current SSZ-13 membranes show great potentials for the simultaneous removals of CO_2 and N_2 in natural gas purification as a facile process suitable for industrial application.     

Hydrophobic modification of SAPO-34 membranes for improvement of stability under wet condition

SAPO-34 zeolite membranes show high efficiency for CO₂/CH₄ separation but suffer from the reduction of separation performance when exposed to humid atmosphere. In this work, n-dodecyltrimethoxysilane (DTMS) was used to modify the hollow fibers supported SAPO-34 membranes to increase the external surface hydrophobicity and thus sustain their performance under moisture environment. The modified membranes were fully characterized. Their separation performance was extensively investigated in both dry and wet gaseous systems and compared with the un-modified ones. The un-modified SAPO-34 membrane exhibited a high separation selectivity of 160 and CO₂ permeance of 1.18×10^-6 mol·m^-2·s^-1·Pa^-1 for separation of dry CO₂/CH₄ at 298 K. However, its separation selectivity declined to 0.9 and the CO₂ permeance was only about 1.7×10^-8 mol·m^-2·s^-1·Pa^-1 for wet CO₂/CH₄ at same temperature. High temperature (e.g. 353 K) could reduce the effect of moisture to improve SAPO-34 separation selectivity, but further increasing temperature (e.g. 373 K) led to decrease in CO₂/CH₄ separation selectivity. A significant decrease of selectivity was observed at higher pressure drop. The modified SAPO-34 membrane showed decreased CO₂ permeance but increased separation selectivity for dry CO₂/CH₄ gas mixture, and super performance for wet CO₂/CH₄ gas mixture due to the improved hydrophobicity of membrane surface. A separation selectivity of 65 and CO₂ permeance of 4.73×10^-8 mol·m^-2·s^-1·Pa^-1 for wet CO₂/CH₄ mixture can be observed at 353 K with a pressure drop of 0.4 MPa. Furthermore, the modified membrane exhibited stable separation performance during the 120-hour test for wet CO₂/CH₄ mixture at 353 K. The hydrophobic modification paves a way for SAPO-34 membranes in real applications.