二氧化碳与氮气或甲烷混合物的吸附分离

【摘要】：二氧化碳排放所产生的温室效应是一个令人担忧的全球性环境问题;而绝大多数排放的二氧化碳是由化石燃烧所产生的,因此从烟道气中分离和捕集二氧化碳对降低温室气体排放具有重要的意义。此外,许多开采出的天然气中含有大量二氧化碳,严重影响天然气的使用,因此从天然气中分离二氧化碳对提高天然气的热值和使用也具有重要实际意义。 在本文中,以CH_4/CO_2和N_2/CO_2为模型混合气,研究了醇胺改性吸附剂的吸附分离性能。首先选择了高沸点的三乙醇胺(TEA)、N-甲基二乙醇胺(MDEA)和混合胺N-甲基二乙醇胺+哌嗪(MDEA+PZ),用不同浓度的醇胺液对硅胶和活性炭进行了改性,分别进行了CH_4/CO_2混合气的穿透和脱附再生实验研究,得到了它们的穿透曲线以及分离因子等数据;另外,选择了13X型沸石分子筛吸附剂,对其进行了穿透和脱附再生实验研究,也得到了它们在不同条件下的穿透曲线、分离因子、再生成本以及再生度等参数。 对不同吸附剂的吸附分离性能进行了比较与分析:硅胶在TEA负载率为0.8,MDEA负载率为0.6,PZ/MDEA摩尔比为R=0.167时,分离因子最佳,分别为10.09、11.05和18.98;而活性炭和用MDEA改型的活性炭对混合气的分离因子均非常小。13X型吸附剂的分离因子为6.24。吸附剂可以用吹扫的方法在较短时间内实现再生,而其吸附容量仍保持稳定,经过多次吸附再生循环液膜也保持不变,表明本文研究的吸附剂适合变压吸附过程。 在不同的工艺条件下,进行了变压吸附工艺的连续变压操作实验。考察了操作压力、吸附时间、均压时间、吹扫时间、吹扫气速等指标,确定了适宜的变压吸附操作条件。连续操作说明了吸附剂性质是稳定的。二氧化碳在出口气浓度经过9个循环后可以低于0.05%,并且200循环后仍保持稳定。表明胺改性硅胶吸附剂吸附适合分离CO_2/N_2和CO_2/CH_4。 【关键词】：甲烷 二氧化碳 硅胶 吸附分离 穿透曲线
【学位授予单位】：天津大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2009
【分类号】：X701
【目录】：

• 摘要3-4
• ABSTRACT4-10
• 第一章 研究背景10-38
• 1.1 二氧化碳分离现状11-21
• 1.1.1 物理吸收11-13
• 1.1.2 化学吸收13-16
• 1.1.3 吸附分离16-18
• 1.1.4 膜分离18-20
• 1.1.5 离子液体20-21
• 1.1.6 低温蒸馏21
• 1.2 变压吸附分离技术21-27
• 1.2.1 变压吸附分离技术概述21-23
• 1.2.2 变压吸附基本工艺及研究进展23
• 1.2.3 工艺步骤的改进23-25
• 1.2.4 分离效果的品质指标和主要影响因素25-27
• 1.3 吸附剂表征27-34
• 1.3.1 吸附等温线27-29
• 1.3.2 比表面积29-32
• 1.3.3 孔径分布32-34
• 1.4 孔径对分离C0_2/CH_4 和C0_2/N_2 的影响34-36
• 1.5 本文研究的主要目的36-38
• 第二章 实验部分38-61
• 2.1 实验中涉及的概念38-42
• 2.1.1 分离因子38-39
• 2.1.2 穿透曲线39-41
• 2.1.3 负载率41
• 2.1.4 再生成本系数41-42
• 2.1.5 再生实验42
• 2.1.6 再生度42
• 2.2 实验试剂和设备42-44
• 2.2.1 试剂42-43
• 2.2.2 设备43
• 2.2.3 吸附剂的预处理43-44
• 2.2.6 吸附床的装填44
• 2.3 原料气的配制44-46
• 2.3.1 实验步骤45-46
• 2.3.2 配置实验用气组成46
• 2.4 色谱分析46-48
• 2.4.1 实验原理46-47
• 2.4.2 色谱使用步骤47
• 2.4.3 色谱校正因子的计算47-48
• 2.5 床层自由体积的确定48-51
• 2.5.1 静态法实验装置48-49
• 2.5.2 吸附床自由体积的测定49-51
• 2.6 单塔穿透实验装置51-52
• 2.7 动态法实验方法的可靠性52-55
• 2.7.1 等温操作52-53
• 2.7.2 床层无压降53-54
• 2.7.3 活塞流54
• 2.7.4 稀释的混合气54
• 2.7.5 气固相浓度可以达到瞬间平衡54-55
• 2.8 实验操作流程55-57
• 2.8.1 穿透操作流程55-56
• 2.8.2 单塔穿透与脱附再生实验56-57
• 2.9 77K氮吸附表征57-61
• 2.9.1 参比槽体积确定58
• 2.9.2 吸附剂准备58
• 2.9.3 吸附槽内自由空间体积确定58-59
• 2.9.4 吸附平衡测定59
• 2.9.5 吸附量计算59-61
• 第三章 醇胺改性吸附剂分离含二氧化碳混合气的研究61-88
• 引言61-62
• 3.1 实验62-63
• 3.2 结果与讨论63-77
• 3.2.1 吸附剂孔结构分析63-64
• 3.2.2 TEA改性硅胶对C0_2/CH_4 吸附分离64-67
• 3.2.3 MDEA改性硅胶对C0_2/CH_4 吸附分离67-69
• 3.2.4 MDEA＋PZ改性硅胶对C0_2/CH_4 吸附分离69-71
• 3.2.5 PZ增强吸收作用71-73
• 3.2.6 TEA改性活性炭对C0_2/CH_4 吸附分离73-76
• 3.2.7 小节76-77
• 3.3 吹扫再生77-81
• 3.4 真空脱附再生81-84
• 3.5 吸附剂再生稳定性84-85
• 3.6 温度对分离因子的影响85-86
• 3.8 结论86-88
• 第四章 变压吸附分离工艺连续操作研究88-105
• 引言88-89
• 4.1 实验89
• 4.2 CH_4/C0_2 变压吸附工艺连续操作89-97
• 4.2.1 工艺装置89-90
• 4.2.2 工艺流程及操作时序90-91
• 4.2.3 变压吸附参数确定91-96
• 4.2.4 连续性实验96-97
• 4.2.5 小节97
• 4.3 N_2/C0_2变压吸附工艺连续操作97-104
• 4.3.1 微型变压吸附分离时序97-98
• 4.3.2 变压吸附参数确定98-103
• 4.3.3 连续性实验103-104
• 4.3.4 小节104
• 4.4 结论104-105
• 第五章 固定床吸附分离二氧化碳过程分析105-113
• 引言105
• 5.1 吸附动力学原理及相关计算105-107
• 5.1.1 吸附动力学105-106
• 5.1.2 传质及吸附速率106-107
• 5.1.3 理想固定床吸附过程107
• 5.2 固定床吸附分离过程的数学分析107-110
• 5.3 固定床吸附分离二氧化碳过程分析110-112
• 5.4 小结112-113
• 第六章 结论113-114
• 参考文献114-127
• 发表论文和科研情况说明127-128
• 致谢128

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