基于Aspen Adsorption的CO_2净化工艺动态模拟

按照等温吸附气固相平衡图,文中采用Aspen Adsorption化工流程模拟软件建立CO2待净化体系的双塔变温吸附分离模型,通过动态模拟,得出各气相组分在吸附、热再生、冷再生各步骤中,各填料层中的浓度分布,而且能够准确的得出床层的击穿时间。此外,结合相应吸附剂的吸附参数和各气相组分的传质系数,能够对不同类型的吸附剂做出有效的评价,同时能对不同吸附剂制定最佳的时序组合。     

等温吸附量计算方法的推导及应用

等温吸附方程和等温累积吸附方程是描述页岩气和煤层气吸附规律的2个重要理论方程。前者描述的是不同压力下的等温吸附量,后者描述的是不同压力下的等温累积吸附量。应当指出,构成等温吸附量曲线中不同压力下的数据点,不是利用实验测定直接得到的,而是利用理论公式计算得到的。尽管在中外,尤其是中国,目前已有若干计算等温吸附量的方法,但多因在理论推导过程中存在不正确性和不可靠性,而导致计算公式和计算结果的错误,并引出了所谓过剩吸附量的不正确概念,这样也就谈不上为页岩吸附气和煤层吸附气的资源评价提供可靠的饱和累积吸附量数据。为此,基于气体状态方程,利用气体的物质守恒原理,经严格的推导,得到计算等温吸附量的3种方法。同时,提出了判断是否达到饱和吸附状态的判断因子。页岩和煤层吸附实验资料的应用结果表明,新建的计算方法和判断因子是正确、有效的。     

等温吸附量方程常数的物理含义及无因次吸附量方程

LANGMUIR(兰格苗尔)于1918年发表的等温累积吸附量方程,描述了在等温条件下累积吸附量与吸附压力之间的关系。然而,应当指出,兰氏方程是利用甲烷气、氮气、一氧化碳气、二氧化碳气、氧气和氩气等气体,在由云母片制成的吸附仪上进行了大量等温吸附实验,在实验取得数据的基础上,提出的一个等温累积吸附量经验方程。该方程具有a和b两个常数。陈元千等于2018年发表了等温累积吸附量方程的推导结果。该方程也存在A和B两个常数。研究结果表明,陈氏和兰氏的等温累积吸附量方程的两个常数都具有重要的物理含义。陈氏方程的常数A和兰氏方程的常数a都表示样品的极限累积吸附量;陈氏方程的常数B和兰氏方程的常数b都表示等温瞬压吸附量递减率;陈氏方程的AB和兰氏方程的ab都表示样品的最大初始理论吸附量。同时,建立了陈氏和兰氏的等温无因次累积吸附量方程和等温无因次瞬压吸附量方程,并提出了确定等温饱和吸附压力和等温饱和累积吸附量的方法。通过16个实例应用,发现陈氏方程和兰氏方程评价样品的极限累积吸附量基本一致;对于等温瞬压吸附量递减率和最大初始理论吸附量的评价,兰氏与陈氏的结果相差明显。但应当注意到,兰氏方程是一个经验方程,其可靠程度要比陈氏方程低。     

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凝析油气相平衡过程发生在地层的多孔介质中。多孔介质由于其巨大的比面积而具有较强的吸附能力，流体因而以吸附态和自由态两种状态存在。在常规相平衡分析的基础上，应用气体吸附理论，建立了地层条件下混合气体在储层多孔介质表面吸附时对相平衡影响的数学模型，提出了考虑多孔介质吸附的相平衡计算方法，并通过实例计算分析了多孔介质吸附对相平衡的影响，结论：凝析油气渗流应考虑多孔介质的吸附作用；重烃组分优先吸附，随压力降低解吸的重烃组分比轻烃组分多；吸附量随温度增高而降低；气藏孔隙度愈低，吸附态气体相对愈多。     

预测轻烃分离装置中CO_2结冰温度的高精度相平衡模型

在轻烃深冷分离工艺中,CO_2易从气液相中析出并结冰,从而发生CO_2冻堵,影响生产装置的正常运行,因此预测天然气系统中CO_2结冰温度具有重要的意义。目前,计算CO_2气液相结冰温度的主流方法为状态方程法,但其对CO_2液相结冰温度计算精度欠佳。为此,从热力学方法出发,采用新颖的GERG-2008状态方程计算CO_2结冰温度,建立了虚拟流体参考态求解固态逸度的方法,改进了传统的CO_2液固相平衡模型,并将其从简单的CH_4—CO_2二元体系拓展应用于真实的多组分天然气复杂体系研究。通过大量模拟计算并与实测数据对比,结果表明:采用改进了的相平衡模型,即气固和液固相平衡中分别运用Antoine方程和虚拟流体参考态法计算CO_2固态逸度系数,求出的CO_2气液相结冰温度比传统相平衡模型计算结果有更高的精度,可为天然气轻烃回收装置防止CO_2结冰工艺条件的设计提供参考。     

不同煤级煤对二元混合气体的吸附研究

通过长焰煤、焦煤和无烟煤对CH₄,N₂,CO₂单组分和6种不同配比浓度(80%CH₄+20%CO₂,50%CH₄+50%CO₂,20%CH₄+80%CO₂,80%CH₄+20%N₂,50%CH₄+50%N₂和20%CH₄+80%N₂)二元混合气的等温吸附实验研究,探讨了3种不同煤级煤对单组分气体和不同配比二元混合气体的吸附特征。结合煤层气勘探试验井的实测气含量、储层压力等资料,对纯甲烷气体和二元混合气体等温吸附实验结果进行了实例分析,解释了实际生产中出现的含气饱和度出现过饱和达110%的异常现象,认为根据不同地区、不同组分的煤层气,配制与其相同的混合气来进行吸附实验,才能提供更接近实际情况的吸附参数和吸附等温曲线。      

利用相平衡理论预测原油沥青质沉淀率

国内外大量CO2驱矿场实践均发现了沥青质沉淀现象,沥青质沉淀会吸附于孔隙表面、堵塞孔隙喉道,进而导致CO2驱油井产量的下降。为了准确计算CO2驱过程中的沥青质沉淀率,采用状态方程描述气-液相平衡,用正规溶液理论描述固相沥青质的非理想性,建立气-液-固三相相平衡热力学模型,结合物料守恒方程进行油气体系的相平衡计算,进而预测沥青质的沉淀率。运用该模型对某CO2驱原油体系进行了相平衡闪蒸计算,得到沥青质的沉淀率,与实验值相对比平均误差在允许范围之内。     

页岩等温吸附曲线SLD-PR模拟方法及应用

页岩气主要由吸附气和游离气组成,吸附气体的含量直接影响页岩气藏的地质储量和页岩气井的产量。为了准确得到页岩的吸附气含量,以川南地区龙马溪组页岩为研究对象,设计了实验测量了温度在25～45 ℃,压力在0～8 MPa范围内页岩吸附甲烷的等温吸附曲线,发现页岩的吸附气量随着温度的升高而减少。通过简化局部密度函数（SLD-PR）理论计算了不同温度下页岩的等温吸附曲线并且与实验结果作对比,结果表明该方法可以用来计算页岩等温吸附曲线。利用SLD-PR方法预测了页岩气藏储层温度和压力条件下等温吸附曲线,弥补了高温高压下实验测量页岩等温吸附曲线误差大的不足。同时对比了利用SLD-PR方法和Langmuir方法计算的吸附气量,发现利用Langmuir方程计算得到的吸附气含量偏大,利用SLD-PR方法计算得到的页岩吸附气含量更加可靠。     

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通过3种不同煤级煤样对纯组分CO₂、CH₄和N₂气体和不同配比浓度的80%CH₄+20%CO₂ 、80%CH₄+20%N₂、50%CH₄+50%N₂和20%CH₄+80%N₂二元混合气的等温吸附实验,探讨了煤对混合气体的吸附特征及混合气体中各组分的吸附特征;分析了多组分气体实验中游离相中气体组分变化规律。认为：①不同煤级煤对多组分气体的吸附等温线形状和其单组分的曲线相似;②混合体系中煤的吸附特性受吸附质气体原始含量、物理化学性质和煤的变质程度控制;③组分在气相中的含量越高,其吸附量就越小,其它组分降低某一组分的吸附量因其吸附性质的不同影响程度不同。本工作为煤层气注气提高采收率提供了理论依据和实验数据。     

乙烯热力学相平衡模型及相图研究

研究了乙烯的热力学相平衡实验数据,给出了乙烯的气-固-液、固Ⅰ-固Ⅱ-液两个三相点温度和三相点压力以及临界温度和临界压力的推荐值;提出了系列乙烯热力学相平衡方程,包括冷凝曲线、熔融曲线Ⅰ、熔融曲线Ⅱ、熔融曲线Ⅰ+Ⅱ及升华曲线方程,拟合效果均优于文献方程;绘制了乙烯的热力学相图以及p-V和V-T相图;建立了乙烯的气-液相平衡的汽化焓方程,方程计算值的相对误差平均值为1.291%。     

环境温度对PSA过程的影响

通过实验测定了变压吸附分离专用吸附剂ＣＮＡ１３３ 、ＣＮＡ２２９ 对纯组分Ｎ２ 、ＣＨ４ 、ＣＯ、ＣＯ２ 的吸附性能。由Ｃｌａｕｓｕｉｓ Ｃｌａｐｅｒｏｎ 方程（ｌｎ ｐＴ）ｑ ＝ ＱａＲＴ根据实验数据得出吸附剂分离气体的性能随环境温度变化的规律即反映吸附量、吸附压力与温度三者之间关系的吸附方程：ｑ ＝ Г（ ｐ ,Ｔ） ,并将计算结果与实测结果进行比较,相对误差在５ ％ 以内。根据求得的吸附方程,定量化论述了温度对两种吸附剂上纯组分的吸附性能、待分离组份之间的分离因子以及有效分离因子的影响。对吸附剂ＣＮＡ１３３ ,温度的变化主要影响吸附剂的单位处理能力和ＣＯ 与Ｎ２ 的分离因子 ＫＣＯ／ Ｎ２ ,但对 ＫＣＯ／ＣＨ４ 基本无影响;对吸附剂ＣＮＡ２２９ ,温度的变化既影响吸附剂的单位处理能力,又影响分离因子 ＫＣＯ２／ＣＨ４ 和 ＫＣＯ２／Ｎ２ ;并讨论了温度对组份之间分离因子的不同程度影响的原因。     

TSA法深度脱除氢气中微量CO的研究

通过对吸附剂的吸附等温线的数学模拟,获得了该吸附的Langmuir等温模型,由此计算出吸附剂再生的特征温度为118℃。在单塔吸附装置上进行变温吸附(TSA)法脱除氢气中微量CO实验研究,比较了室温下氢气中CO体积分数为0.001%和0.015%时的穿透曲线和吸附传质区特征。理论计算的特征温度与实验获得的较佳再生温度相吻合。     

吸附测试数据的处理与应用

根据吸附位势(位能)理论，利用Dubinin吸附势定义，对于同一种类型的吸附剂(多孔介质)，对不同吸附质在不同温度条件下测得吸附实验数据，将吸附量和吸附势相关联，拟舍得到相应的回归方程。并利用拟舍得到的回归方程，针对某个气藏(Case2)，在确定的平均气层岩心参数条件下，生成该气藏在给定气层温度下所有组分的吸附等温线。此项研究工作为开展考虑多孔介质中吸附现象作用的各种研究(如吸附平衡相态模拟和油气藏数值模拟研究等)提供了重要的基础数据和研究方法。     

吸附树脂对山竹黄酮化合物吸附特性的研究

研究了S-8、LSA-5B、X-53种吸附树脂分离纯化山竹夹层中黄酮类化合物的静态吸附过程。吸附动力学实验表明树脂吸附速率较快,1.5h基本达到吸附平衡,符合拟二级动力学吸附方程,吸附速率常数:k_(X-5树脂)>k_(LSA-5B树脂)>k_(S-8树脂)。在等温条件下,LSA-5B树脂、S-8树脂对黄酮类化合物的吸附量随初始吸附浓度的变化遵循Langmuir和Freundich吸附等温方程,X-5树脂仅遵循Freundich吸附等温方程。3种树脂的吸附自由能ΔG<0,是自发吸附。     

Adsorption and Desorption Kinetics of Naphthalene,Anthracene, and Pyrene in Soil Matrix

Abstract

The adsorption and desorption kinetics of naphthalene, anthracene, and pyrene in a soil slurry reactor at ambient conditions have been investigated to ascertain the mechanisms controlling the retention and release rates of these compounds in the soil matrix. A stirred-flow method was employed to perform the experiments. The extent of partitioning for the polycyclic aromatic hydrocarbons (PAHs) tested was found to be dependent on their solubility and diffusivity in the aqueous phase. Apparent adsorption and desorption rate coefficients were determined using the Langmuir and Freundlich isotherm models. Equilibrium adsorption and desorption at the external surface and in the internal pore of the soil particle obeyed the Freundlich isotherm equation. The pseudo-equilibrium condition established at the minimum contact time suggests that equilibrium adsorption attained for the contaminant PAHs was not instantaneous but rather time dependent.     

页岩储层标准等温吸附曲线的建立——以鄂尔多斯盆地长7页岩储层为例

页岩的矿物成分复杂、孔隙结构多样,导致页岩吸附性能差异大,同一储层中不同岩样的等温吸附曲线形态变化大,有必要针对页岩建立标准等温吸附曲线。对来自鄂尔多斯盆地长7油层组的页岩储层样品进行了低温液氮等温吸附实验,将实验所得曲线进行初步标准化后按照BET理论中的常数C值取2为底的指数进行分类并标准化。再将所有样品的标准等温吸附曲线使用4种吸附层厚度方程在Matlab数值分析软件中进行参数拟合,用以验证标准等温吸附曲线。按拟合精度从小到大排列的4种吸附层厚度方程的顺序为：Carbon Black 2次方程 < Carbon Black 3次方程 < Halsey方程 < De Bore方程。最后通过参数平均得出了每一类型的页岩标准等温吸附曲线。所得页岩储层的标准等温吸附曲线代表了一系列表面性质相似的储层的吸附特征,可直接用于油藏数值模拟或油藏工程计算,简化了大量的繁琐计算过程,降低了岩样随机选择所导致的数据不确定性,且使计算结果具有较强的代表性。     

多元混合气在炭质吸附剂上的吸附行为

实验测定了H2 、N2 、CH4 、C2 H4 、C2 H6等纯气体在CNA2 38吸附剂上的静态吸附等温线和这 5种气体混合气的流出曲线 ,并用保留体积方程 ,计算得到了在混合条件下各组份的动态吸附等温线 ,利用得到的等温线参数 ,用瞬间平衡数学模型对实验结果进行了模拟 ,模拟结果与实验结果在许多方面比较接近 ,可以用作工业装置的设计依据。     

Accurate estimation of CO2 adsorption on activated carbon with multi-layer feed-forward neural network (MLFNN) algorithm

Global warming due to greenhouse effect has been considered as a serious problem for many years around the world. Among the different gases which cause greenhouse gas effect, carbon dioxide is of great difficulty by entering into the surrounding atmosphere. So CO₂ capturing and separation especially by adsorption is one of the most interesting approaches because of the low equipment cost, ease of operation, simplicity of design, and low energy consumption.In this study, experimental results are presented for the adsorption equilibria of carbon dioxide on activated carbon. The adsorption equilibrium data for carbon dioxide were predicted with two commonly used isotherm models in order to compare with multi-layer feed-forward neural network (MLFNN) algorithm for a wide range of partial pressure. As a result, the ANN-based algorithm shows much better efficiency and accuracy than the Sips and Langmuir isotherms. In addition, the applicability of the Sips and Langmuir models are limited to isothermal conditions, even though the ANN-based algorithm is not restricted to the constant temperature condition. Consequently, it is proved that MLFNN algorithm is a promising model for calculation of CO₂ adsorption density on activated carbon.     

气体混合物吸附平衡模型与检验

混合气体吸附不仅与温度、压力有关。而且随气体组成而变化、存在所谓竞争吸附现象。 混合气体吸附模型就是应用纯组分或双组分气体吸附等温线,可计算在给定温度和压力下混合气体中每- 组分的平衡吸附量。应用空穴溶液气体吸附FHVSM模型建立了吸附相与自由气相之间的两相相平衡计算模型.针对二个二元气体混合物吸附平衡例子.在完成其纯组分吸附等温线的参数回归计算之后。完成了气体混合物吸附平衡模拟计算。研究结果表明。空穴溶液气体吸附FHVSM模型能用于描述气体混合物吸附平衡。不仅能用于烃类气体混合物吸附平衡模拟计算.而且能用于非烃类气体混合物吸附平衡模拟计算。