变压吸附技术分离气体混合物

《变压吸附技术分离气体混合物》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在行业资料-天天文库。

1、第27卷第2期煤炭学报Vol.27No.22002年4月JOURNALOFCHINACOALSOCIETYApr.2002═══════════════════════════════════════════════════════════════文章编号：0253-999（32002）02-0197-04变压吸附技术分离CH4/N2气体混合物辜敏1，鲜学福2，张代均3，陈昌国3（1.汕头大学化学系，广东汕头515063；2.重庆大学采矿工程系，重庆400044；3.重庆大学化工学院；重庆400044）摘要：采用变压吸附技术进行CH4/N2气体混合物的分离研究，以提高混合气中CH4的浓度.

2、在单柱变压吸附装置上进行了变压吸附过程实验；考察了各步压力、原料气组成等操作条件对分离过程的影响.关键词：变压吸附（PSA）；活性炭；CH4；N2中图分类号：P618.11；O647.31文献标识码：A随着人们对煤矿安全、环境保护意识的提高，近年来国内外十分重视煤层气的开发利用.煤层气的有效成分是CH4，只有当其浓度高达一定值（80%以上），才能作为一种高效、洁净的能源和化工原料，而一般抽放煤层气中CH4浓度较低（20%45%）.我国是产煤大国，煤层气资源十分丰富，但利用率却极低，其原因之一就在于煤层气中CH的提纯分离没有得到解决［1，2］4.变压吸附（PSA）技术是有效的气体分离提纯方法

3、，自20世纪80年代以来已在工业上得到广泛应用［16］.目前大多数工业化的、应用最为成功的变压吸附过程都是弱吸附组分为产品，强吸附组分因其浓度低而没有得到广泛应用.分离提纯煤层气中的CH4产品，是强吸附组分，这与典型的PSA工艺在实施过程中每一过程的作用和意义完全相反，对该体系的PSA提纯分离过程实验和理论研究还很缺乏.本文以CH4/N2为研究体系，着重讨论变压吸附操作参数对CH4分离提纯的影响，结果可用于抽放煤层气中CH4的提浓.1实验方法1.1实验装置实验所用的单柱PSA装置是自行设计制作的.装置分为配气系统（Ⅰ）和变压吸附系统（Ⅱ）两个部分（见文献［7］）.采用高压气瓶中的气体配制不

4、同浓度的原料气，然后进入PSA系统进行分离提纯，得到浓度高于原料气的组分气体，该系统的核心是吸附柱.对于实际抽放的煤层气，在进入系统Ⅱ之前必须进行预净化，除去其中的强吸附杂质，如H2O，CO2.经过预处理除去杂质的煤层气可以看成是CH4/N2的混和气［2］.1.2实验方法（1）PSA过程设置目前，工业应用的PSA过程采用充压、吸附、均压、置换、顺向降压、逆向降压、清洗、抽真空等操作步骤.根据不同的体系及分离要求，采用上述部分或全部步骤，并有多种组合顺序操作.对于分离提浓CH4/N2中的强吸附组分CH4，是从吸附相获得的，如何增大CH4在吸附相中的浓度以及所采用的解吸手段是关键，因此在PSA

5、过程中设置有并流减压、逆向减压以及逆向抽真空步骤.整个PSA过程如图1所示，包括5个基本步骤：Ⅰ.充气；Ⅱ.高压吸附；Ⅲ.并流减压；Ⅳ.逆向减压；V.抽真空，每个步骤都已工业化.（2）吸附剂的选择实验采用静态体积法对不同的吸附剂进行吸附实验，以筛选能够分离CH4/N2的收稿日期：2001-08-16基金项目：教育部春晖计划和专门基金支持项目（教外司留［1999］95号）；汕头大学工业催化学科211工程建设项目资助198煤炭学报2002年第27卷图1PSA过程Fig.1SchemeofPSAprocess吸附剂，亦即吸附柱的填料.具体实验步骤见文献［2］.（3）变压吸附实验按图1设置的步骤循

6、环操作.在不同的操作条件下，将CH4/N2混和气通过PSA系统，从出口处取样分析，得到产品组分浓度的变化情况.（4）分析方法原料气、产品气的组成分析采用气相色谱仪（国产SP3400）进行.2结果和讨论2.1吸附剂的选择吸附剂的选择是PSA能否实现分离的关键一步，其基本依据是混合气体及其组分气体的热力学性质，平衡吸附关系和分离系数αCH/N）.αCH/N越大，CH4和N2分离的可能性越大.从目前常用的吸附剂看，4242可以到达14以上［2］（即H的提纯相对容易很多），这也是煤层气中CH难以提纯的αCH/N<3，而αCH/H244242一个重要原因.通过实验选择T103活性炭作为吸附剂，其α［

7、2］CH/N=2.90.422.2操作参数对吸附分离的影响变压吸附分离过程所关心的问题是各阶段的定量结果及分离技术的最佳操作条件.产品回收率和吸附剂生产能力的计算公式［3］为（第Ⅳ步产品中的CH4分量+第V步产品中CH4分量）/每循环CH4回收率=，（1）原料气中CH4的分量/每循环出口气中的CH4的总量原料气/每循环=.表1不同吸附压力对PSA分离CH4的影响原料气中的CH4的摩尔分数Table1Theeffectof