低温变压吸附分离CH4/CO2实验研究

摘要

随着能源结构的不断优化，天然气因其高效、清洁、安全、污染少等优势在整个能源结构中的比重逐渐增大。天然气代替其它燃料，可以降低CO2、 H2S、NOx的排放，这对改善大气环境、减轻温室效应有着十分重要的作用。特别是近些年，发现了许多富含CO2的气田，开采的天然气面临气体品质和尾气排放标准的双要求，因此需要将其脱除。吸附法以其设备简单、适用领域广、耗能小和容易实现自动化等优势被普遍的关注。本文采用5A、13X和13X-APG三种沸石材料作为吸附剂，吸附分离天然气中的CO2。通过单组份和双组份实验以及理论模型拟合，探讨所用吸附剂在低温下分离CH4/CO2混合气体的性能。
　　采用静态容积法测量了CO2和CH4在5A、13X和13X-APG沸石分子筛上的单组份吸附平衡等温线，研究了吸附温度和压力对吸附量的影响。研究结果表明，CO2和CH4的吸附量随吸附温度的降低和压力的增大而增加，吸附剂对CO2的吸附量比CH4大，在-30℃时CO2在所用吸附剂上的饱和吸附量最高，分别为4.94mmol/g、6.52mmol/g和6.35mmol/g。利用Langmuir模型、Sips模型、Toth模型和DSL模型对实验测量的吸附平衡数据进行拟合，均取得了较好的拟合结果，并利用非线性拟合得到了模型的参数;其中，Toth模型对实验结果的拟合程度最好，两种气体的R2均很接近于1;利用测量数据计算了CO2与CH4在所用吸附剂上的等量吸附热，发现吸附过程主要发生物理吸附，吸附剂表面是非均一的。
　　采用单柱穿透曲线测量了5A和13X沸石分子筛对CH4/CO2混合气体的分离能力。实验研究了混气流量、吸附压力、吸附温度和填料高度对穿透曲线和分离能力的影响。实验结果表明，增大气体流量和吸附压力会降低分离效果，而降低吸附温度、增加填料高度有利于CH4/CO2分离。利用单组份吸附模型拟合较好的模型，建立双组份模型，对CH4/CO2混合气体在5A和13X沸石分子筛上的吸附平衡进行模拟。通过测量结果与双组份模型的预测数值比较发现，LRC模型有较好的预测能力。
　　对吸附剂的再生性能实行了实验研究。考察了13X沸石分子筛在不同加热再生温度和真空再生后的再生性能，发现加热再生后的效果较好，250℃下加热180min后可以基本完全再生。对吸附剂进行多次循环再生。实验结果表明，重复使用5次，13X沸石分子筛在-30℃时对CH4/CO2二元混合气体仍有较好的分离能力。

目录

声明

摘要

引言

1 文献综述

1．1 研究背景及意义

1．2 常用天然气脱碳技术

1．2．1 吸收分离法

1．2．2 低温分离法

1．2．3 膜分离法

1．2．4 吸附分离法

1．2．5 各种分离法比较

1．3 吸附剂

1．3．1 活性炭

1．3．2 沸石

1．3．3 介孔材料

1．3．4 有机金属骨架

1．4 吸附等温线及模型

1．4．1 吸附等温线

1．4．2 单组份吸附模型

1．4．3 双组份吸附模型

1．5 研究内容

2 实验部分

2．1 实验原料和设备

2．1．1 实验材料和试剂

2．1．2 实验测试设备

2．2 分析方法

2．2．1 二氧化碳和甲烷检测

2．2．2 SEM分析

2．2．3 BET分析

2．3 实验装置与流程

2．3．1 静态吸附实验

2．3．2 动态吸附实验

2．4 实验研究内容

2．4．1 吸附剂预处理

2．4．2 静态吸附实验

2．4．3 动态吸附实验

3 静态吸附实验研究

3．1 引言

3．2 吸附剂表征

3．2．1 沸石5A吸附剂表征

3．2．2 沸石13X吸附剂表征

3．2．3 沸石13X-APG吸附剂表征

3．3 CO2吸附实验研究

3．3．1 沸石5A等温吸附曲线

3．3．2 沸石13X等温吸附曲线

3．3．3 沸石13X-APG等温吸附曲线

3．3．4 吸附性能比较

3．3．5 再生后吸附性能比较研究

3．4 CH4吸附实验研究

3．4．1 沸石5A等温吸附曲线

3．4．2 沸石13X等温吸附曲线

3，4．3 沸石13X-APG等温吸附曲线

3．5 本章小结

4 CH4／CO2动态分离实验研究

4．1 引言

4．2 工艺条件对吸附分离的影响

4．2．1 气体流量

4．2．2 吸附压力

4．2．3 填料高度

4．2．4 吸附温度

4．3 再生性能实验研究

4．3．1 抽真空再生研究

4．3．2 加热再生研究

4．3．3 吸附剂再生稳定性研究

4．4 本章小结

5 吸附平衡数值拟合研究

5．1 引言

5．2 单组份吸附模型拟合

5．2．1 Langmuir模型拟合

5．2．2 Sips模型拟合

5．2．3 Toth模型拟合

5．2．4 DSL模型拟合

5．2．5 单组份拟合结果对比

5．3 单组份吸附热计算

5．4 双组份吸附模型拟合

5．4．1 模型拟合

5．4．2 穿透曲线实验与模拟对比

5．5 本章小结

6 结论与展望

6．1 结论

6．2 展望

参考文献

附录

致谢