沸石ZSM-5吸附回收低浓度煤层气中CH_4

利用高硅疏水性沸石ZSM-5吸附回收低浓度煤层气中的甲烷,对其吸附平衡、吸附动力学以及真空变压吸附分离过程进行了理论和实验研究。通过重量法和穿透曲线法测定了CH_4/N2单组分及双组分的竞争吸附平衡数据,并采用Multisite Langmuir吸附等温线模型对其进行拟合。结合CH_4和N2稀释穿透曲线实验数据和等温无动量损失的双分散二级孔结构扩散模型,获得CH_4和N_2在沸石ZSM-5上的微孔扩散系数。建立并求解包含质量、动量及能量传递的固定床吸附分离模型方程,预测了CH_4和N2在沸石ZSM-5上的竞争吸附穿透曲线。进一步采用ZSM-5吸附剂填充床单柱四步真空变压吸附实验考察了进料浓度、进料流速、进料时间以及吹扫比对分离效果的影响。结果发现沸石ZSM-5对CH_4具有较好的选择性,沸石晶粒内的微孔扩散为吸附速率控制步骤,真空变压吸附工艺可将模拟煤层气中20%的CH_4提纯至31%~41%,回收率为93%~98%。     

基于沸石ZSM-5的CH4/N2/CO2二元体系吸附平衡

采用Rubotherm磁悬浮天平测量CH₄、N₂和CO₂在沸石ZSM-5上的单组分吸附平衡等温线,温度273～353 K,压力0～500 kPa。采用Sips模型、Toth模型和MSL模型对单组分吸附平衡实验数据进行拟合,拟合结果良好,非线性回归得到相应的模型参数。测量双组分CO₂/N₂、CO₂/CH₄和CH₄/N₂在沸石ZSM-5上的竞争吸附平衡等温线,实验温度为293 K,实验压力为0～500 kPa。采用基于Sips模型的理想吸附溶液理论和双组分MSL模型预测双组分气体在沸石ZSM-5上的竞争吸附平衡等温线,并与实验结果进行比较,预测结果良好。比较CO₂/N₂、CO₂/CH₄以及CH₄/N₂体系在沸石ZSM-5上的竞争吸附选择性系数,探究沸石ZSM-5吸附分离烟道气（CO₂/N₂体系）、垃圾填埋气（CO₂/CH₄体系）或煤层气（CH₄/N₂体系）的可行性,为将来进行工艺设计提供基础数据。     

CO2/CH4/N2在沸石13X-APG上的吸附平衡

采用磁悬浮热天平测量了CO₂、CH₄与N₂在沸石13X-APG上的吸附等温线,温度为293、303、333和363 K,压力为0～500 kPa。对吸附平衡实验数据采用multi-site Langmuir模型和Sips模型进行拟合,均得到良好的拟合效果,非线性回归得到吸附热等模型参数,可为变压吸附工艺过程的开发提供基础热力学数据。将沸石13X-APG吸附分离性能与文献中报道的吸附材料(如沸石分子筛、活性炭、金属有机骨架材料和介孔硅分子筛)性能相比较。通过比较CO₂、CH₄与N₂吸附容量以及相对分离系数,探讨CO₂/CH₄(垃圾填埋气或者CO₂强化煤层甲烷回收气)体系、CO₂/N₂(燃煤电厂、水泥厂以及焦炭厂烟道气)体系以及CH₄/N₂(煤层气)体系吸附分离的高效材料,为未来二氧化碳吸附捕集和甲烷吸附回收提供基础数据。     

碳分子筛变压吸附提纯沼气的性能

选择碳分子筛,以CH₄和CO₂为原料气,对变压吸附法提纯沼气中生物甲烷的分离性能进行了研究。采用高精度智能重量分析仪IGA-100测定了25℃下CH₄、CO₂和N₂纯组分气体在碳分子筛上的吸附平衡等温线,计算了3种气体在碳分子筛内的扩散速率CO₂>N₂>CH₄。使用单塔变压吸附装置测量了动态吸附穿透曲线,考察了吸附压力、气体流量和少量氮气等因素对吸附分离的影响,并对吸附机理做了初步探讨。实验结果表明,在吸附压力为0.4MPa、气体流量为200mL/min时,在碳分子筛上CO₂穿透吸附量为35.9mL/g,CH₄穿透吸附量为5.4mL/g,CO₂/CH₄分离系数高达12.6,可直接从吸附塔顶富集纯净的CH₄,而且碳分子筛可以通过抽真空完全再生,是一种理想的吸附材料;在有少量氮气存在的实验条件下,由于碳分子筛对CH₄和N₂具有动力学分离效应,仍能在塔顶富集高浓度的CH₄。     

CH4/CO2混合气置换强化含氮低品质甲烷的浓缩

针对CO₂置换吸附分离CH₄/N₂过程中CO₂再生困难的问题,采用少量产品气CH₄真空吹扫以提高CO₂的解吸效果,并以解吸得到的CH₄/CO₂混合气为置换步骤的置换气,通过置换来强化含氮低品质甲烷的浓缩过程。以自制椰壳活性炭为吸附剂,对CH₄/CO₂混合气置换强化吸附回收含氮低品质甲烷工艺过程进行了实验与模拟研究。在gPROMS软件中建立并求解固定床吸附分离模型方程,预测了CH₄、N₂ 和CO₂在自制椰壳活性炭上的竞争吸附穿透曲线,通过预测结果和实验的对比,验证了数学模型方程的准确性。对比了不同置换气强化吸附分离低品质甲烷的效果,结果表明CH₄/CO₂混合气置换强化相对于CO₂置换强化可获得更高纯度产品。进行了CH₄/CO₂混合气置换强化真空变压吸附循环实验,可以将14%的CH₄/N₂和53%的CH₄/CO₂联合富集到98.8%,同时获得77.8%的回收率。     

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%。     

CH4-N2在自支撑颗粒型Silicalite-1上的吸附分离及PSA模拟

纯硅分子筛Silicalite-1原粉（Si/Al>470）在6 MPa压力下制成自支撑颗粒状吸附剂,经XRD和77 K氮气吸脱附表征表明自支撑颗粒型的Silicalite-1保留了原粉的晶体结构和比表面。静态重量法测试了273/298/313 K下CH₄和N₂在其上的吸附等温线,利用理想吸附溶液理论（IAST）法计算了吸附剂对CH₄/N₂的选择性。动态气体穿透实验测试了颗粒型Silicalite-1吸附剂对不同浓度CH₄/N₂混合气的分离效果,结果表明该吸附剂更适合于低浓度甲烷（20%/80% CH₄/N₂）的富集脱氮。通过总传质模型利用数值模拟预测了颗粒型Silicalite-1吸附剂的变压吸附分离（PSA）富集低浓度煤层气中甲烷的效果。模拟结果显示20%/80%的CH₄/N₂混合气经一次提浓,CH₄浓度可以提升至37%~41%,回收率达到60%~92%;30%/70%的CH₄/N₂混合气经一次提浓,CH₄浓度可以提升至50%~53%,回收率达到58%~92%。     

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。     

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。     

一维直孔道MOFs对CH4/N2和CO2/CH4的分离

非常规天然气未来可以作为常规天然气的有效补充,其中低浓度煤层气和生物质燃气分别需要脱除大量的N₂ 和CO₂以达到富集和纯化CH₄的目的。本研究针对CH₄/N₂这一对较难分离的气体组合,选取了具有一维菱形孔道的MOFs材料Cu(INA)₂作为吸附剂,将合成的样品做了XRD和TG表征,测试了纯气体CO₂、CH₄和N₂的吸附曲线,利用巨正则系综蒙特卡罗(GCMC)分子模拟和理想吸附溶液理论(IAST)计算了气体的吸附热和该材料对于CH₄/N₂和CO₂/CH₄的吸附选择性系数;3 MPa压力下制备的颗粒样品填装吸附分离装置,进行了混合气体CH₄/N₂ (50%/50%)和CO₂/CH₄ (50%/50%)的穿透试验,分离的结果显示,Cu(INA)₂不仅高选择性地吸附CH₄/N₂混合物中的CH₄(S_CH4/N2=10),而且对CH₄/N₂的分离效果优于CO₂/CH₄。     

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。     

Effect of pore size on CH4/N2 separation using activated carbon

In this paper, a model of activated carbon was established by molecular simulation and the separation performance of N_2 and CH_4 on activated carbon was studied. In order to evaluate the adsorption selectivity and diffusion selectivity of N_2 and CH_4, Grand Canonical Monte Carlo and molecular dynamic methods were used to obtain equilibrium adsorption isotherms and mean square displacements of N_2 and CH_4 on activated carbon with different pore sizes. Research results showed that the difference in adsorption isosteric heat of N_2 and CH_4 at the pore size of 0.46 nm is the largest, which is 5.759 and 7.03 kcal·mol~(-1)(1 cal=4.184 J), respectively. Activated carbon with pore size of 0.46 nm has the best N_2 and CH_4 adsorption selectivity, while its diffusion selectivity is not obvious.     

Nitrogen rejection from low quality natural gas by pressure swing adsorption experiments and simulation using dynamic adsorption isotherms

In order to remove N₂ from low quality natural gas, a mathematical model has been established by Aspen adsorption, using the CH₄-selective sorbent silicalite-1 pellets. The dynamic adsorption isotherm was first simulated by breakthrough simulation of a CH₄/N₂ mixture at different adsorption pressures and feed flow rates based on breakthrough experiments. The resulting simulated CH₄ dynamic adsorption amounts were very close to the experimental data at three different adsorption pressures (100, 200, and 300 kPa). Moreover, a single-bed, three-step pressure swing adsorption (PSA) experiment was performed, and the results were in good agreement with the simulated data, further corroborating the accuracy of the gas dynamic adsorption isotherm obtained by the simulation method. Finally, based on the simulated dynamic adsorption isotherm of CH₄ and N₂, a four-bed, eight-step PSA process has been designed, which enriched 75% (vol) CH₄ and 80% (vol) CH₄ to 95% (vol) and 99% (vol), and provided 99% (vol) recovery.     

真空变压吸附分离氮气甲烷流程灵敏度分析与优化

首先采用实验室自制椰壳活性炭为吸附剂,进行了氮气/甲烷(65%/35%)原料气的真空变压吸附工艺(VPSA)分离实验。通过对比实验和gPROMS 动态模拟软件的分离效果,对变压吸附数学模型进行了验证,证明了所采用数学模型的准确性。在此基础上,对影响产品气甲烷纯度、回收率的关键决策变量进行了灵敏度分析。分析结果表明:产品气纯度主要由原料气流量和置换气流量来进行调控,产品气回收率则需要关键变量共同的作用才能实现最大化。依据灵敏度分析结果,对两塔分离氮气甲烷混合气的变压吸附工艺进行了动态优化。在最优的工况下,可以将进料组成为35%的甲烷富集到75%,回收率达到97.08%;从而达到对于废混合气的高效回收利用。     

Intensification of low-grade methane enrichment in nitrogen mixture by CH4/CO2 displacement

To solve the problem of CO₂ uncompleted desorption in the process of CO₂ displacement enhancing the adsorption separation of CH₄/N₂, a small amount of product gas CH₄ was used as purge gas to improve the CO₂ desorption. CH₄/CO₂ mixture gas obtained from desorption step was recycled as the displacement gas to enhance the enrichment of low-grade methane in nitrogen mixture. In this work, the research conducted the experiments for CH₄/N₂ separation using CH₄/CO₂ displacement intensification adsorption and the laboratory-made coconut shell activated carbon as sorbent. The mathematical models were built in gPROMS and the accuracy of models was verified by comparison of simulations and CH₄/N₂/CO₂ breakthrough experiments. The performance of enrichment of low-grade methane with displacement intensification using different displacer was compared. The result showed that the process with CH₄/CO₂ displacement had higher purity product than CO₂ displacement. The CH₄/ CO₂ mixed gas replacement enhanced vacuum pressure swing adsorption cycle experiment was carried out, which can jointly enrich 14% CH₄/ N₂ and 53% CH₄/CO₂ to 98.8%, and at the same time obtain a recovery rate of 77.8%.     

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。