变压吸附技术分离气体混合物

文章编号：0253-9993（2002）02-0197-04
变压吸附技术分离CH 4/N 2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CH 4/N 2气体混合物的分离研究，以提高混合气中CH 4的浓度.
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；CH 4；N 2中图分类号：P618.11；O647.31
文献标识码：A
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
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CH 4，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CH 4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 4的提纯分离没有得到解决［1，2］
.变压吸附（PSA ）技术是有效的气体分离提纯方法，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CH 4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CH 4/N 2为研究体系，着重讨论变压吸附操作参数对CH 4分离提纯的影响，结果可用于抽放煤层气中CH 4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H 2O ，CO 2.经过预处理除去杂质的煤层气可以看成是CH 4/N 2
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CH 4/N 2中的强吸附组分CH 4，是从吸附相获得的，如何增大CH 4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 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CH 4/N 2的
第27卷第2期煤炭学报
Vol.27No.2
2002年
4月
JOURNAL OF CHINA COAL SOCIETY
═
══════════════════════════════════════════════════════════════Apr.2002
图1PSA 过程
Fig.1
Scheme of PSA process
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设置的步骤循环操作.在不同的操作条件下，将CH 4/N 2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 4
/N 2
）.αCH 4
/N 2
越大，CH 4和N 2分离的可能性越大.从目前常用的吸附剂看，
αCH 4/N 2<3，而αCH 4/H 2可以到达14以上［2］
（即H 2的提纯相对容易很多），这也是煤层气中CH 4难以提纯的
一个重要原因.通过实验选择T103活性炭作为吸附剂，其αCH
4
/N 2
=2.90［2］
.
表1
不同吸附压力对PSA 分离CH 4的影响
Table 1
The effect of adsorption pressure on the separation of CH 4
实验编号
No.1No.2No.3吸附压力/MPa 0.900.700.40原料气量/L ・循环-111.1010.40 4.08第Ⅱ步
总流出量/L ・循环-10.750.420.54平均组成（CH 4）/%0.890.490.33第Ⅲ步总流出量/L ・循环-114.70 4.92 5.12平均组成（CH 4）/%7.32 3.20 2.89第Ⅳ步总流出量/L ・循环-1 4.89 6.42 3.29平均组成（CH 4）/%44.1038.0031.80第Ⅳ步产品CH 4浓度浓缩值14.908.79 2.50第Ⅳ步末
CH 4浓度
49.2043.9040.10CH 4回收百分率/%
66.50
80.50
87.40
注：第Ⅲ步结束压力为0.2MPa ；第Ⅳ步结束压力为0.1MPa ；吸附时间为3min ；原料气组成为φ（CH 4）=29.3%.
2.2
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
CH 4回收率=
（第Ⅳ步产品中的CH 4分量+第V 步产品中CH 4分量）/每循环
原料气中CH 4的分量/每循环
，
（1）
原料气/每循环=出口气中的CH 4的总量
原料气中的CH 4的摩尔分数
.
（2）
对于用活性炭的二组分PSA 分离，
传质阻力并不重要［6］
，因此本文主要讨论
各步的操作压力、和原料处理量对分离提纯的影响.
（1）吸附压力的影响
在其它条件基
本相同的情况下，提高吸附压力，可以增大CH 4在吸附相中的浓度，使产品CH 4的浓度提高（表1）.CH 4在活性炭上的吸附
服从Langmuir 方程［2］，当压力高达一定值
后，吸附量几乎不再增加，但在填料空隙空间被压缩的气体量会随压力的增大而增大.因此，在变压吸附分离中，盲目增高
8
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2002年第27卷
吸附压力是不可取的，①增加能耗；②空隙空间中存在的气体对组分之间的分离只有害而无益.所以压
力增大到在Langmuir 方程平台以前为宜［2］
.增大吸附压力，会使第Ⅲ步CH 4穿透量增大，这与理论分析完全一致.产品浓度和回收率总是相矛盾，在提高产品CH 4浓度的同时，其回收率却大为降低.为了减少第Ⅲ步CH 4的穿透量，可适当缩短第Ⅱ步的操作时间.
表2
第Ⅲ步结束压力对PSA 分离CH 4的影响
Table 2
The effect of the end pressure of step Ⅲon the separation of CH 4
实验编号
No.4No.5No.6第Ⅲ步结束压力/MPa 0.200.300.40原料气量/L ・循环-114.6014.8013.70第Ⅱ步总流出量/L ・循环-10.540.550.54平均组成（CH 4）/%0.620.620.61第Ⅲ步总流出量/L ・循环-117.3015.70 4.56平均组成（CH 4）/%13.9011.309.84第Ⅳ步总流出量/L ・循环-1 5.01 6.767.75平均组成（CH 4）/%42.3039.6037.90第Ⅳ步CH 4产品浓度浓缩值11.208.50 6.87第Ⅳ步末
CH 4浓度
48.2044.7041.90CH 4回收百分率/%
46.80
61.10
69.10
注：吸附压力为0.8MPa ；吸附时间为3min ；第Ⅳ步结束压力为0.1MPa ；原料气组成，φ（CH 4）=31.1%.
（2）并流降压步骤结束压力的影响实验结果表明，降低第Ⅲ步结束压力，可以较大程度地提高产品气CH 4的浓度（见表2）.在其它条件基本相同，当第Ⅲ步结束压力从0.8MPa 降低到0.4MPa 时，第Ⅳ步CH 4产品的浓度仅较原料气提高了6.87%，但如果降低到0.2MPa ，浓度可提高到11.20%.当吸附压力一定时，第Ⅲ步结束压力最理想，接近常压（0.1MPa ），这样可在产品步骤时得到最高浓度的CH 4产品，但第Ⅲ步结束压力不能等于常压，因为逆放抽真空步骤是必要的，逆放步骤不仅是得到产品的步骤，而且在大多数情况下，当顺放和逆放步骤结
合起来时，分离效果才最好［6］
.
（3）真空度的影响逆放和抽真空是
产品步骤，即将CH 4从吸附相中解吸出来.逆放步骤的结束压力最低是常压，抽真空的结束压力从产品纯度来看，是低为好，但需要消耗能量.真空度如果不高会形成恶性循环，一方面使床层在开始循环时就“不干净”，吸附剂不干净会导致CH 4吸附量大减而直接影响第Ⅰ步充气量，从而影响产品的回收率；另一方面，上一次循环第Ⅲ步发生穿透的CH 4滞留在吸附柱的顶端产品不能够抽出，直接影响产品的浓度.
（4）原料气流量
许多文献认为，减少原料气处理量，可以提高分离效果［3，6］
.本文实验发现，进料
量对最终得到的产品浓度影响并不大.这与文献［5］结果一致.但进料量增大会导致CH 4在第Ⅱ步就大
量穿透，使回收率降低.当采用实验No.4的操作条件，进料速度为0.549L /min ，则在第Ⅱ步结束时，CH 4出口浓度为1.56%，进料速度增大到4.71L /min 时，CH 4出口浓度增大到12.9%.
3结论
（1）提高吸附压力以增大CH 4在吸附相中的浓度，降低并向减压的结束压力及提高真空度以解吸吸附相中的CH 4，可提高产品CH 4的浓度.其它操作条件主要影响产品回收率和产率.
（2）要使煤层气中CH 4浓度从30%左右提高到80%以上，仅采用本文所设置的步骤是不行的，应该增加其它步骤，如置换步骤.参考文献：
［1］鲜学福.我国煤层瓦斯渗流力学的研究现状及进一步发展和应用的展望［R ］.重庆大学.矿山工程物理研究所，1997.［2］辜
敏.提高抽放煤层气中甲烷浓度的变压吸附基础研究［D ］.重庆：重庆大学，2000.［3］岑沛霖，Yang R T.变压吸附方法分离五元气体混合物［J ］.化工学报，1988，49（6）
：752757.［4］
Sun -sup S ，Wankat P bined cocurrent -countercurrent blowndown cycle in pressure swing adsorption ［J ］.AIChE J.，1989，35（3）
：523532.9
91第2期
辜
敏等：变压吸附技术分离CH 4/N 2气体混合物
002煤炭学报2002年第27卷
［5］Cen P L，Yang R T.Separation of binary gas mixture into two high-purity products by new pressure swing adsorption［J］.Sep.
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［6］Yang R T，Doong S J.Gas separation by pressure swing adsorption：a pore diffusion model for bulk separation［J］.AIChE J.，1985，31（12）：18291838.
［7］辜敏，陈昌国，鲜学福.抽放煤层气变压吸附过程的数学模拟［J］.煤炭学报，2001，26（3）：323326.
作者简介：
辜敏（1969-），女，四川乐山人，博士，讲师，2000年毕业于重庆大学采矿工程专业，现从事分析化学、电化学的科研和教学研究，发表“抽放煤层气变压吸附过程的数学模拟”等论文10余篇.
Separation of CH4/N2gas mixture by pressure swing adsorption processes
GU Min1，XIAN Xue-fu2，ZHANG Dai-jun3，CHEN Chang-guo3（1.Department of Chemistry，Shantou University，Shantou515063，China；2.Department of Mining，Chongqing University，Chongqing400044，China；3.College of Chemical Engineering，Chongqing University，Chongqing400044，China）
Abstract：The separation of CH4/N2gas mixture for improve the concentration of CH4by pressure swing adsorption （PSA）is studied.The experiment of PSA process is carried out on single unite.The effects of operational condition such as operate pressure and the feed concentration are also investigated.
Key words：PSA；activated carbon；CH4；N
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