试析变压吸附技术分离CH4/N2气体混合物

2023-02-10

伴随着人们环境保护意识的提高逐渐增强, 其对煤矿开采安全要求性越来越高。近几年来, 国内外煤层气开发与利用已经成为了研究者的重要的课题。煤层气中以CH4为有效成分, 当其浓度>80%时, 才能用作一种化工原料或能源, 而其浓度处在20%-45%之间时, 则缺乏利用价值。我国作为一个产煤大国, 煤层气资源丰富, 但利用率不高, 究其根源, CH4提纯分离问题突出。笔者综合自身多年来实践经验, 深入探究变压吸附技术分离CH4/N2气体混合物, 旨在解决CH4提纯分离问题。

一、变压吸附技术分离CH4/N2气体混合物实验方法

1. 装置分析

应用自行设计的单柱PSA装置, 主要包括两部分:一是配气系统 (Ⅰ) , 二是变压吸附系统 (Ⅱ) 。以高压气瓶中气体为依据, 配制原料气, 其浓度不同, 然后步入PSA系统, 作分离提纯处理, 获取组分气体 (浓度>原料气) 。以吸附柱为系统核心, 步入系统前, 必须清理实际抽放煤层气的强吸附杂质, 譬如CO2、H2O等。通过预处理, 将煤层气中的杂质去除, 可将其作为CH4/N2混和气。

2. 方法分析

从实验方法出发, 主要表现在四个方面: (1) 在PSA过程设置中, 主要操作步骤包括七个方面:一是充压, 二是吸附, 三是均压, 四是置换, 五是顺向降压 (逆向降压) , 六是清洗, 七是抽真空。以不同体系为依据, 并考虑分离要求, 执行上述步骤。在CH4/N2系统中, 以CH4为强吸附组分, 经由吸附相获取, 故提高其在吸附相中的浓度已成为了关键。由此可见, 在PSA过程中, 可设置逆向减压、并流减压、逆向抽真空三个步骤。整个PSA过程主要涵盖五个步骤:一是充气, 二是高压吸附, 三是并流减压, 四是逆向减压, 五是抽真空; (2) 吸附剂选择。利用静态体积法, 对吸附剂作吸附实验, 确保其能分离CH4/N2; (3) 变压吸附实验。依据以上步骤进行循环操作, 基于不同操作条件下, 经由PSA系统, 自出口处取出CH4/N2混和气进行分析, 观察产品组分浓度变化状况; (4) 分析方法。应用SP3400性气相色谱仪, 分析原料气及产品气组成。

二、变压吸附技术分离CH4/N2气体混合物实验结果

1. 吸附剂选择

在吸附剂选择上, 以混合气体 (包括其组分气体) 热力学性质为依据, 同时要考虑群殴平衡吸附关系, 并分析分离系数αCH4/N2。当分离系数越大时, N2与CH4分离可能性不断增大。从常用吸附剂角度出发, 分离系数在3以下, 而其可达14以上, 表明提纯H2相对容易。由此可见, 在实验过程中, 吸附剂主要择取T103活性炭, 其分离系数为2.90。

2. 操作参数与吸附分离之间的关系

在变压吸附分离过程中, 各个阶段定量结果为关键问题, 同时必须要考虑分离技术操作条件。通常状况下, 产品回收率=[第Ⅳ步自产品中提取的CH4量+第Ⅴ步自产品中提取的CH4量) ÷每循环]÷ (原料气中CH4总含量÷每循环) , 而原料气中CH4总含量÷每循环=自出口气中提取的CH4总量÷原料气中CH4摩尔分数。由此可见, 传质阻力不是研究重点, 故主要探究各步骤操作压力, 并分析原料处理量与分离提纯间的相互关系。

首先, 针对吸附压力而言, 基于其它条件一致状况下, 增强吸附压力, 在吸附相中, 可提高CH4浓度, 从而保证产品CH4浓度。在活性炭上, CH4吸附遵Langmuir方程。当压力达至某特定值后, 吸附量基本无变化, 但针对填料空隙空间内, 其压缩气体量与压力呈正比例关系, 故禁止盲目提升吸附压力。吸附压力具有不可取性, 主要表现在两个方面: (1) 提高能耗; (2) 空隙空间中气体与组分间分离无明显关系, 因此压力变化必须要借助Langmuir方程平台。若提高吸附压力, 易增大第Ⅲ步产品中的CH4穿透量, 与理论一致。

实验结构表明, 若第Ⅲ步结束压力出现下降, 可增大产品气CH4浓度。基于其它条件一致状况下, 当第Ⅲ步结束压力 (0.8MPa) 降至0.4MPa时, 第Ⅳ步CH4产品浓度可上升6%左右;若降至0.2MPa, 其浓度可上升11%左右。当吸附压力处于特定水平时, 第Ⅲ步结束压力取值处于最理想状态, 与常压接近。

而就真空度而言, 逆放与抽真空均属于产品步骤, 在吸附相中, 可将CH4解吸出来。针对逆放步骤而言, 其结束压力最低取值属于常压。立足于抽真空结束压力角度, 若取低值, 则表示产品纯度良好, 但消耗能量大。若真空度低, 则容易构成恶性循环, 降低CH4吸附量, 威胁第Ⅰ步充气量, 故不利于产品回收率的提高。另外, 易诱发第Ⅲ步穿透CH4出现滞留现象, 导致吸附柱顶端产品难以抽出, 产品浓度低。诸多文献表示, 降低原料气处理量, 能保证分离效果。本实验研究发现, 进料量与最终获取产品浓度无相关性, 但进料量与回收率呈反比例关系。

结束语

综上所述, 添设置换步骤, 增强吸附压力, 在吸附相中, 提高其CH4浓度, 减少并向减压结束压力, 促使真空度完全解吸CH4, 可保证产品CH4浓度。

摘要：变压吸附 (PSA) 技术作为一种应用较为广泛的气体分离提纯法, 在工业领域具有至关重要的应用意义。现阶段, 大部分工业化的变压吸附过程属于弱吸附组分, 而煤层气中的甲烷 (CH4) 产品, 亦为强吸附组分, 与PSA工艺在实施中的意义相反。本文主要从CH4/N2研究体系出发, 深入探究变压吸附操作参数与CH4分离提纯的关系, 从而解决煤层气中CH4提纯分离问题。

关键词：变压吸附技术,CH4,N2