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淘豆网网友近日为您收集整理了关于空气中低含量甲烷的变压吸附分离--优秀毕业论文 可复制黏贴的文档，希望对您的工作和学习有所帮助。以下是文档介绍：空气中低含量甲烷的变压吸附分离--优秀毕业论文 可复制黏贴 ⑩中国近代第一所大学FOUNDED I N 1 895天洋犬薯T I ANJ l N UN l VERS I TY硕士学位论文●学科专业:作者姓名:指导教师:化学工程王琰周亚平教授天津大学研究生院月中文摘要煤矿空气中因含有少量低浓度的甲烷常会引发煤矿中恶性爆炸事故,给人的生命和财产带米巨大的损失。脱除煤层气中的甲烷主要是将甲烷从空气中分离出来。但甲烷氮气体系的分离~直被认为是‘项很困难的1作。本文主要针对甲烷氮气体系的分离以及用变压吸附方法从模拟的煤层气中分离甲烷作了研究。实验中选用的吸附剂为本实验室自制活性炭TJU01。首先考察了实验雎力、温度等条件对甲烷氮气体系分离因子的影响。发现压力降低有利于分离因了的提高;而温度在19-25。C的室温附近变化时对分离因子的影响不大。在25 6C,100kPa的实验条件下TJU01对甲烷氮气的分离因子可达到8以上。接卜来模拟放空煤层气配制甲烷含量约为1.3%的甲烷一空气混合气,通过单塔甲烷的穿透吹扫曲线的比较找出适合两塔变压吸附的实验条件,包括吸附时间、脱附时间、处理量、(来源：淘豆网[/p-3596337.html])操作压力等。最后通过两塔变压吸附实验,考察了上述实验条件的可行性,同时对变压吸附巾几个主要的参数作了研究,包括均压时问、放空时间、冲洗比,最终确定了一组可以脱除放空煤层气中甲烷的实验条件,在该条件下可使分离后的空气中完全不含有甲烷.关键词:甲烷/氮气,变压吸刚,吸附分离,穿透曲线AbstractLOW content of methane Call explode in coal mine.The separation ofmethane from coalbed iS to separate between methane and nitrogen.Theseparation between methane and nitrogen iS difficult.The major two tasksof the paper are the separation between methane and nhrogen andseparation of coalbed methane by Pre(来源：淘豆网[/p-3596337.html])ssure Swing Adsorption.Theadsorbent in the study iS superactivated carbon with 1arge surface area.First,we measured methane/nitrogen system breakthrough curves atdifferent pressure and temperature.Find that the lower the pressure.thelarger the separation factor.The separation factor iS stable within 19—25℃.At 25℃and 1 00kPa.the separation factor for methane/nitrogen systemof TJU0 1 iS 8.Second.we also studied separation of coal methane.Inorder to fi(来源：淘豆网[/p-3596337.html])nd the test conditions of two beds we measured the methanebreakthrough cui-ve of one bed.The tests conditions involve the time ofadsorption,the time of desorption,feed rate and operation pressure.Bypressure swing adsorption,we study the major parameters of two bedsincluded the time of blow down,the time for pressure equalization andpurging ratio.The production air is purified.Keywords:methane/pressbreakthroug(来源：淘豆网[/p-3596337.html])h curve独创性声明本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导F进行的研究工作和取得的研究成果,除,文巾特别加咀标注和致谢之处外,论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果,也不包含为获得盘洼盘堂或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我‘同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。学位论文作者签名:互.j麦签字日期: 2口pF年2月21日学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解苤盗苤望有关保留、使用学位论文的规定。特授权玉立盘堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索,并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和倍阅。同意学校向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。(保密的学位论文在解密后适用本授权醢明)学位论文作者签名:三j嚣导师签名签字日期:29口j年z月zf日签字日期l文形季2删—年/月第一章文献综述1.1研究意义第一章文献综述在化工和石化领域中,分离过程是生产工艺中重要的单元操作,而且在很大程度上决定着整个工业过程的生(来源：淘豆网[/p-3596337.html])产成本。目前传统的分离方法如低温精馏、吸收等工艺都不适合处理放空的煤层气。近年来随着科学技术的发展和工业自动化程度的提高,一些新的单元操作过程也日趋成熟和完善,在工业生产中得到了越来越多的应用。吸附分离就是随着自身的不断发展和新工艺、新型吸附剂的开发,逐渐受到了人们的重视,在生产实践中也得到了广泛的应用【11。变压吸附PSA(Pressure SwingAdsorption)是近几十年来发展最快的化工分离技术之一。变压吸附能耗低、流程简单、产品纯度高、操作方便、自动化程度高,在石油、化工、冶金、电子、医药、空分、食品等行业得到迅速推广和应用口J。变压吸附技术用于处理甲烷浓度较低的放空煤层气有着其它传统方法无法相比的优点。近年来,一方面由于性能优良的新型吸附剂的出现及其品质的不断改善,为吸附技术的广泛应用打下了良好的基础,如合成沸石、炭分子筛、活性炭纤维、活性氧化铝等,它们各自不同的吸附性能使吸附工艺的应用领域不断扩宽。另一方面随着吸附工艺的发展,如变压吸附、变温吸附、模拟移动床、工业色谱等技术(来源：淘豆网[/p-3596337.html])的开发,使吸附工艺已经成为连续操作的大型工业化过程。现在变压吸附分离技术已经成功应用于提纯氢气、空分制氧和合成氨脱碳等领域,成为应用最广泛的吸附工艺。吸附工艺在近几十年的突破性进展及其自身的不断改进和完善,使其已经成为化学工业和石油化学工业中重要的分离过程,在现代工业中起着越来越重要的作用。本课题最终目的是要从放空的煤层气中回收甲烷。当前对甲烷含量较高的煤层气一般是直接从煤层中抽出加以利用,甲烷浓度低的普遍是往煤层中通入空气或氮气然后抽出放空,放空的甲烷对臭氧破坏严重。空气中大部分是氮气,因此要利用放空煤层气首要的是能够分离甲烷和氮气。煤层气储量很大(与剩余天然气储量差不多,达30’35万亿m3),但利用率极低,主要原因就是甲烷与氮气的分离没有得到好好的解决【31141。甲烷-氮气的混合体系用常规方法很难实现分离,Ruthven指出甲烷.氮气的分离将是我们面临的一项挑战¨】。大多数的研究者都是在拟合纯气体吸附等温线的基础上,利用现有的一些吸附理论来计算甲烷.氮气的分离跚6】Ⅲ龇。Sh(来源：淘豆网[/p-3596337.html])eikh拟合纯气体吸附等温线计算出Maxsorb对甲烷.氮气体系的分离因子为3.0tg]。甲烷氮第一章文献综述气分子直径相近,甲烷为0.382nm,氮气为0.368nmI…。两者的动力学差异不显著,因此靠动力学差异分离效果也不理想。文献报道XPS膜(多iL聚苯乙烯)对甲烷一氮气体系的分离因子为1.39[111。传统的低温精馏方法只适用于甲烷浓度较高的混合气,当甲烷浓度较低时低温精馏存在能耗大,成本高的缺点。国家对甲烷的放空浓度有排放标准,浓度为0.5’1.5%1121。这样低浓度的甲烷用低温精馏的方法处理能耗太高。吸附法是利用不同气体在吸附剂上吸附平衡差异进行分离。少量文献报道甲烷一氮气体系分离因子如下,沸石NaA:2.04、NaZSM一5:3.23、删:3.57、HzSM一5:3.451”J,活性炭T103:2.90[”。本论文中使用实验室自制活性炭TJU01,对甲烷一氮气体系的分离因子可达到8,对分离这一体系是比较好的吸附剂。变压吸附利用吸附剂对不同气体在吸附量、吸附速度、吸附力等方面的差(来源：淘豆网[/p-3596337.html])异,以及吸附容量随压力变化的特性,在加压条件下完成混合气体的吸附分离过程,降压脱附时分离吸附的各种组分,从而实现气体分离以及吸附剂循环使用的目的。变压吸附的关键是吸附剂Il 4】。变压吸附在提纯氢气、空分制氧和合成氨脱碳等领域应用广泛【15】I…。近年来,变压吸附法由于具有干法操作易于实现自动化的特点,已经成功地应用于工业装置上。变压吸附法不消耗热量,也不存在溶剂损失和回收问题,工艺过程简单,装置规模小,操作灵活简便,能耗低,无腐蚀,吸附剂可再生利用,应用前景非常广阔【1Ⅷ…。应用变压吸附技术实验分离甲烷氮气还不多见,有文献报道利用计算机模拟变压吸附分离甲烷氮气的1191,但结果不理想,原因在于模拟仍然是拟合纯气体吸附等温线建立的模型来研究混合气的性质,用实验方法直接分离的数据很少。因此有必要对吸附法脱甲烷进行更深一步的研究。1.2吸附分离1.2.1吸附类型按照吸附作用力的不同,吸附可分为化学吸附和物理吸附120]。化学吸附是指有化学键起作用的吸附过程。例如氯气在石灰石上的吸附。物理吸附是指由(来源：淘豆网[/p-3596337.html])分子问引力(范德华力)作用而进行的吸附过程,因此也称为范德华吸附。多数的物理吸附进行的速度很快,吸附平衡瞬间即可达到,而且物理吸附是可逆过程,即被吸附组份容易解吸。变压吸附过程一般都是利用物理吸附过程。我们用吸附法分离放空煤层气中的甲烷也是基于物理吸附。第一章文献综述1.2.2吸附分离吸附分离是利用吸附剂选择吸附某组分的方法实现气体(或液体)混合物的分离。多组分流动相与多孔性固体颗粒接触,由于不同组分气固或液固相分子之间的吸引力不同,使得每种组分在固体颗粒表面的累积程度不同,即固体颗粒有选择性地吸附其中某一组分或某些组分,从而达到分离的目的。这些有吸附作用的固体颗粒就叫做吸附剂,吸附剂表面上被吸附或浓缩的物质称为吸附质。在吸附过程中,流动相中的易吸附组份优先扩散到吸附剂表面,然后再由吸附剂表面扩散进入吸附剂微孔内最后保留在吸附剂微孔内或吸附在微孔壁上,由此完成了吸附过程。吸附过程进行的速度快慢和被吸附物质的多少(吸附容量的大小)取决于吸附剂的性能、流动相的性质和吸附过程的工艺条件。1.2.3吸(来源：淘豆网[/p-3596337.html])附分离机理1.2.3.1位阻差异由于分子筛类吸附剂的孔径是由其晶体结构决定的,只有形状规则而且直径小于孔径的分子才能进入吸附剂孔穴而被吸附,而形状不规则的分子或大分子则不易或不能进入吸附剂孔穴,被截留在气相中,从而实现了分离。典型的应用过程有3A分子筛干燥裂化气和乙烯、4A分子筛干燥天然气,5A分子筛从石脑油和煤油中回收正构烷烃等。1.2.3.2动力学差异根据分子扩散进入吸附剂孔穴中的速率不同,适当选择吸附时间来控制目标组分和非目标组分的吸附量,实现分离。炭分子筛空分制氮是典型的动力学分离。目前一些利用有机物膜进行分离的也是基于被分离物系中各组分的动力学差异。1.2.3.3平衡差异利用不同的分子在吸附剂上的平衡吸附量的差异进行分离。大多数变压吸附分离过程是借助于平衡机理来完成的,如沸石分子筛空气分离。吸附法分离甲烷氮气也是利用甲烷和氮气在吸附剂上达到平衡时吸附量有差异来进行分离的。而由于甲烷氮气分子大小相近,动力学差异不显著,靠位阻或动力学差异都很难分离。第一章文献综述1.3吸附测定方法13.1静态实验一般用静态实验测纯气体吸附等温线,其原理是测定气体在一定温度、压力下处于平衡状态时的吸附量,常用方法有两个:(1)体积法,它是通过测定在一个体积固定的密闭容器中吸附前后压力变化来计算吸附量;(2)重量法,它是通过直接测定吸附前后吸附剂重量改变而得到吸附量。1.3.2动态实验13.2.1动态法动态法是测量混合气吸附平衡的一种方法。它是一种流动方法,在系统达到吸附平衡后排出气相组成恒定的混合气。然后把样品室隔离,再用抽空或加热的方法使吸附混合气定量的脱附。所脱附的混合气,通常被捕集在一个维持在液氮温度下的容器中,待加温到室温后再对其测量和分析。这样就直接测量了所吸附混合气的总量和组成。这种方法已被许多研究小组在活性炭和沸石方面使用了,其中许多小组的实验是在高压下进行的。利用这种技术的研究组包括Danner和wjnzel|21l,Fembacher和Wenzell221,Gonzalez和Holland[231,Rogersl241,Reich等1251,Talul2刚,Bulow等127】以及Okazal(i等【28】。13.2.2色谱法几十年来色谱法一直用来测量纯气体的等温线,而近年来该方法被发展到了测量混合气的吸附。这个方法的优点是产生数据简单而快速,但难以得到精密分析的数据。混合气的吸附可通过穿透曲线计算,或通过在进料处注入阶跃变化的试样后出口处色谱柱的响应一即前沿色谱和洗脱色谱计算。利用这种技术的最新例子是siddiqi和1110m髂的工作【“。这种分析只有在理想化的条件下才能够是精确的:即稀释的混合气,等温操作,活塞流,两相之间对浓度和温度可达到瞬间平衡,没有压力降等等。因为这些条件无法保证实现,所以所得结果只不过是估计值。4第一章文献综述1.4脱附测定方法吸附剂的吸附容量是有限的。随着吸附过程的不断进行,逐渐达到吸附饱和状态,此时吸附剂就失去了再吸附能力。而在变压吸附实验中要使吸附剂反复利用并且回收被吸附的组分,就必须根据体系选择一种合适的脱附方法。任何吸附分离过程都涉及吸附的逆过程——脱附或解吸,亦即吸附剂的再生过程。吸附剂的再生程度对产品纯度和设备处理能力影响很大,并涉及能耗和产品回收率等方面的问题。1.4.1降压解吸混合气体的吸附容量随着气相分压的降低而减小,所以降低吸附床的总压使吸附质的分压同步降低可以使吸附质解吸,此法操作最简单,缺点是解吸效果差,吸附剂再生不完全,一般不单独使用。1.4.2升温解吸解吸是吸热过程,因而升高温度可以使吸附剂再生。升温解吸的方法是将载热惰性气体通入吸附床或直接加热吸附床,使吸附剂加热,从而使吸附质(被吸附的物质)解吸,解吸出来的吸附质被惰性载热气带出吸附床,然后再冷却吸附床,准备下一步吸附操作。由于吸附剂的导热系数通常较小,加热和冷却的时间较长,从而使操作周期很长。在加热和冷却过程中,吸附剂、吸附塔、管道都要加热和冷却,因此能量耗费很大。此外,吸附剂反复受热和冷却,从而使吸附剂因热力的作用而损坏。尽管升温解吸有很多缺点,但是它的脱附率高,在大多数体系中都能适用,仍是目前很常用的吸附剂再生方法。1.4.3真空解吸真空解吸也是降压解吸,是外加动力将吸附床抽成真空,进一步降低吸附床的总压和吸附质的分压,从而达到吸附质解吸、吸附剂再生目的。1.4.4冲洗解吸冲洗置换解吸是用纯产品气或其它弱吸附质进行逆向冲洗吸附床。一方面由于冲洗气中吸附质的含量少,分压低,可使吸附床中的吸附质因其分压降低而得第一章文献综述到解吸;另一方面冲洗气还可将吸附剂上的杂质置换出来,因为冲洗气本身在吸附剂上的吸附能力很小,又极易解吸。1.5变压吸附(Pressure SwingAdsorption)变压吸附利用吸附剂对不同气体在吸附量、吸附速度、吸附力等方面的差异,以及吸附剂的吸附容量随压力的变化而变化的特性,在加压条件下完成混合气体的吸附分离过程,降压脱附被分离吸附的各种组分,从而实现气体分离以及吸附剂循环使用的目的Il”。近年来,变压吸附在提纯氢气、空分制氧和合成氨脱碳等领域广泛应用【15】【16】。变压吸附法由于具有干法操作易于实现自动化的特点,已经成功地应用于工业装置上。变压吸附法不消耗热量,也不存在溶剂损失和回收问题,工艺过程简单,装置规模小,操作灵活简便,能耗低,无腐蚀,吸附剂可再生利用,应用前景非常广阔‘1刀【l”。1.5.1传统PSA工艺1.5.I.I常用的PSA工艺常用的PsA工艺一般都包括吸附、放空、冲洗、均压与充压几步…1:(1)吸附(Adsorption):原料气从吸附塔入口端进入吸附塔,在一定压力下进行吸附,产品气从出口端输出到产品缓冲罐。(2)均压(Pressure equalization):完成吸附的塔与完成冲洗的塔进行均压,主要目的是回收一部分产品气。按照均压方式(以完成吸附的塔为判断基准)不同,可分为顺向均压(Coeurrent Pressure equalization)和逆向均压(Countercurrent Pressure equalization)两种均压方式。(3)放空(Blowdown):将完成吸附的塔降压,大部分被吸附的气体解吸出来使吸附剂得到再生。按放压方式不同可以分为逆向放空(Countercurrentblowdown)和顺向放空(Cocurrent blowdown)。(4)冲洗(Purge):用一部分产品气逆向冲洗床层,使吸附床层得到彻底再生。(5)充压(Re-pressure):用产品气对床层进行充压,将压力充至吸附压力,为下一步吸附作好准备。播放器加载中，请稍候...
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变压吸附技术在沼气提纯中的应用
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甲烷/氮气变压吸附分离的实验与模拟
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求沼气提纯知识-------化学吸收法和PSA变压吸附法的比较？
提问者:闫祖宇
化学吸收法和PSA变压吸附法的比较1基本原理比较化学吸收法：在催化剂条件下，采用吸收溶液，利用酸碱中和反应，吸收沼气中的二氧化碳、硫化氢等酸性物质，同时也能吸收氨等易溶于水的气体。吸收了各种杂质的气体通过溶液自净系统和气体再生系统释放出各种杂质和气体，溶液得到循环使用。再生的气体中含95%的二氧化碳，可以进一步提纯作为产品出售。该方法需消耗5%左右的沼气用于产蒸汽供生产用。PSA变压吸附法：该方法让气体通过吸附床层，利用吸附剂对不同气体的吸附能力不同，让混合气体中的一种（或几种）气体的大部分被吸附在床层上，小部分流出；让混合气体中的另外一种（或几种）气体的大部分流出，小部分被吸附在床层上；从而达到提高出口气体浓度提高的目的。该方法适应需分离的对象气体各组分被吸附剂吸附的能力相差很远。这取决与被分离的对象各组分的分子量、分子大小等性质相差的大小，相差越大，越容易分离，且分离的成本越低，收率越高。反之相差越小，越难分离，且分离的成本越高，收率越低。2选择性比较化学吸收法：化学吸收法对于二氧化碳和甲烷的分离选择性很强，溶液和二氧化碳等酸性气体反应迅速，和甲烷不反应。在沼气提纯的同时，其它的各种酸性物质都是希望一并脱除的。因此，化学吸收法在沼气提纯甲烷的工程中特别适用。PSA变压吸附法：从原理介绍可以看出，吸附剂对气体的选择性关键取决于气体分子的特性，如氢气、一氧化碳和二氧化碳气体的分离，选择性很不错，收率较高，消耗也较小，这也是目前PSA变压吸附法在制氢、水煤气、半水煤气、焦炉气分离提纯领域应用较好的原因。但对于二氧化碳与甲烷的分离，由于吸附剂对这两种气体的吸附能力很相近，事实上是在变压吸附行业中公认的难以经济分离的两种物质。就是因为吸附剂对这两种气体的选择性差3收率比较化学吸收法：由于化学吸收法对于二氧化碳和甲烷的分离的选择性很强，溶液和二氧化碳等酸性气体反应迅速，和甲烷几乎不反应。这就决定了它的高收率。甲烷几乎全部回收。PSA变压吸附法：从原理介绍可以看出，吸附剂对气体的选择性关键取决于气体分子的特性，对于二氧化碳与甲烷的分离，由于吸附剂对这两种气体的吸附能力很相近，如果要提高浓度，往往要大副降低收率作为代价。从目前的技术看来，若要使产品气甲烷浓度达到95%，其收率在50%以下。4产品浓度比较化学吸收法：化学吸收法是根据溶液表面的蒸汽分压来决定气体的出口浓度。因此，在溶液再生时适当调整溶液中的二氧化碳残留量，即可在吸收时调整溶液表面的二氧化碳蒸汽分压，达到调整二氧化碳浓度的目的。如果沼气中无氮、氧等惰性气体，可将甲烷的浓度达到99%以上。PSA变压吸附法：前面已经介绍，对于二氧化碳与甲烷的分离，由于吸附剂对这两种气体的吸附能力很相近，如果要提高浓度，往往要大副降低收率作为代价。从目前的技术看来，若要使产品气甲烷浓度达到95%，其收率已在50%以下。要想达到98%以上，目前技术几乎没有可能。5消耗比较（假设两种方法都做成20MPa95%的瓶装天然气）化学吸收法：化学吸收法的车间消耗主要有压缩电耗、循环泵电耗、少量补充水耗、蒸汽消耗PSA变压吸附法：PSA变压吸附法的车间消耗主要有压缩电耗、程控阀电耗、少量补充水耗表面看来，PSA变压吸附法不需要消耗蒸汽，事实上，化学吸附法需要的蒸汽可假设沼气的收率降低5%用于产蒸汽，即可完全产出所需的蒸汽。这样甲烷的收率可按94～95%计，而PSA变压吸附法的收率只有45%左右。由于气体收率的不同，每生产相同体积的压缩天然气压缩电耗相差很远，PSA变压吸附法要多压缩2～3倍气体才能达到化学吸附法的产量，且排出大量废气。从投资的角度来看，同规模的投资，化学吸收法只有PSA变压吸附法的三分之一以下。综合比较两种方法的消耗，化学吸收法是PSA变压吸附法的五分之一到三分之一。6原料的综合利用程度化学吸收法：从前面的介绍可知，化学吸收法由于其在二氧化碳和甲烷的分离中，具有很强的选择性，因此甲烷的收率高，而再生气中不含甲烷，二氧化碳的纯度比较高，有深度加工的可能，可将其加工成纯二氧化碳产品出售。这样，化学吸收分离法提纯沼气几乎可将原料气全部利用。PSA变压吸附法：对于二氧化碳与甲烷的分离，由于吸附剂对这两种气体的吸附能力很相近，如果要提高浓度，往往要大副降低收率作为代价。如前所述，若要使产品气甲烷浓度达到95%，其收率已在50%以下。要想达到98%以上，目前技术几乎没有可能。这样的话，要生产甲烷含量95%的瓶装天然气，其原料气总体积的75%将做为废气排放，排放的气体中又含有大量的甲烷，使得二氧化碳纯度也低，无回收价值。所以，在甲烷和二氧化碳的离的过程中，不宜采用PSA变压吸附法，因为该方法在这里高消耗、低收率、低品质、低利用率。当然，我们不否认PSA变压吸附法在分离二氧化碳和氢气、一氧化碳等领域还是有一定的价值。结论我国天然气较缺乏，天然气远远地供不应求，在一定条件下，采用比较经济可靠的工艺实现沼气的天然气化，无疑是一个好的方法。目前，国内已有几个项目在前期运作或处于施工阶段，必将带来良好的经济效益、环保效益与社会效益。
回答者:朱林嘉
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