双回流真空变压吸附分离CO2/N2实验和模拟研究

摘要

二氧化碳作为温室气体之一，其大量排放所引起的气候变化备受关注，所以寻求一种高效捕集二氧化碳手段，同时还能回收有价值副产品而降低减排成本，对治理温室效应和能源有效利用具有重要的意义。变压吸附技术作为一种新型的气体分离和提纯技术，它具有能耗低，投资少和易操作等优点，但传统的变压吸附工艺仅能得到单一的 CO2产品气，为了能够充分利用气体资源，生产两种高纯度的产品气，因此我们采用双回流变压吸附（DR PSA）工艺，并利用此工艺针对分离CO2/N2混合气进行了实验和模拟研究。 本文主要从实验和模拟两个方面对DR PSA工艺分离CO2/N2混合气生产两种高纯度产品气的工艺进行研究。一方面通过实验结果和模拟结果对比分析来验证 DR PSA工艺的可行性和数学模型的准确性，另一方面为变压吸附捕集 CO2工艺提供相关基础数据，同时为下一步优化DR PSA工艺做准备。 本文使用的吸附剂是硅胶吸附剂，对 CO2/N2混合气具有良好分离效果和易解吸的特点。通过硅胶吸附剂的动态和静态表征实验分别测量了吸附剂的动态吸附量和静态吸附量。在动态表征实验中获得了其动态吸附量数据并计算出气体分离因子，验证了硅胶吸附剂对 CO2/N2混合气良好的分离效果。在静态表征实验中测量CO2/N2在硅胶吸附剂上不同压力温度下的吸附量，通过扩展型Langmuir方程计算拟合出各组分的吸附参数，为DR PSA工艺实验和模拟提供相应参数。 最后，针对DR PSA工艺分离CO2/N2混合气自主建立一套两塔的吸附实验装置，通过实验主要考察了进料位置，均压方式，轻产品气回流流量和重产品气流量四个操作变量对产品气的纯度和回收率的分离效果影响。在 Aspen Adsorption化工软件中使用动态数值模型模拟了DR PSA工艺。实验结果和模拟结果对比得到：在进料温度为298.15K，吸附压力为2.0bar（绝压），解吸压力为0.2bar条件下，工艺采用的操作变量为进料位置Zf=0.4，塔顶均压，轻产品气回流流量QLR=0.408slpm和重产品气流量QHP=0.603slpm，循环稳态下能够获得CO2的纯度为95.6%，其回收率为96.8%，N2的纯度和回收率均高于98%，能耗为2.5MJ/kgCO2。

目录

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第一章 文献综述

1.1吸附过程基本理论

1.2吸附工艺介绍

1.3 N2/CO2吸附分离进展

1.4双回流变压吸附

1.5本文主要研究内容

第二章 吸附剂表征实验

2.1实验设备和原料

2.2吸附剂动态表征实验

2.3吸附剂静态表征实验

2.4小结

第三章 DR PSA分离CO2/N2实验

3.1实验装置

3.2 DR PSA时序

3.3实验结果与分析

3.4小结

第四章 DR PSA分离CO2/N2模拟

4.1 DR PSA模型建立

4.2模拟参数和时序

4.3模拟和实验结果的对比分析

4.4小结

第五章 结论

参考文献

发表论文和参加科研情况说明

致谢