规整复合吸附剂真空变压吸附分离CH4/N2工艺模拟与分析

为减少甲烷排放,实现低浓度煤层气有效资源化利用,探究了使用规整复合吸附剂真空变压吸附富集低浓度煤层气的工艺。采用静态容积法测定了甲烷、氮气在规整复合吸附剂上的吸附等温线,同时建立了包括质量、热量和动量守恒在内的严格吸附床数学模型,设计了三塔连续进料的真空变压吸附工艺并进行模拟。分析了工艺达到循环稳态后吸附床层轴向温度分布和压力变化,并且探究了进料量、解吸压力、原料气中甲烷浓度和吸附压力对纯度、回收率、工艺能耗和吸附剂产率等工艺性能的影响。模拟结果表明,在进料量为100 L·min^-1,解吸压力为0.1 bar（1 bar=0.1 MPa）,原料气甲烷浓度为30%,吸附压力为3 bar时可以生产纯度为59.07%,回收率为93.64%的富CH₄产品气,同时单位能耗为18.70 kJ·mol^-1,吸附剂产率为4.56 mol·h^-1·kg^-1。表明规整吸附剂对CH₄/N₂具有良好的吸附分离效果,能够实现低浓度煤层气中甲烷高效富集。     

基于双回流变压吸附工艺的空气分离模拟及分析

双回流变压吸附是一种在吸附塔中间位置进料,塔顶和塔底分别采用轻、重组分回流的变压吸附过程,能够同时生产两种高纯度、高回收率的产品气。以实验室自主合成的LiLSX分子筛为吸附剂,利用Aspen Adsorption模拟软件,对进料组成为78%N₂/21%O₂/1%Ar的实际空气进行了两塔双回流变压吸附的模拟研究。模拟结果表明：当原料气为78%N₂/21%O₂/1%Ar,吸附压力为2 bar(1 bar=10⁵ Pa),解吸压力为0.3 bar,进料量为0.4 m³/h,轻组分回流流量为0.095 L/min,重组分回流流量为5.22 L/min时,能够得到体积分数为95.67%的O₂和体积分数为98.25%的N₂,回收率分别为94.60%和99.91%。并且进一步探究了进料位置、吸附时间、轻组分回流流量、重组分产品气流量等因素对O₂和N₂两种产品气纯度和回收率的影响。     

吸附强化焦油蒸汽重整制取氢气

分别采用固相反应法、溶胶凝胶法制备了Ni/Mg-Ca₁₂Al₁₄O₃₃催化剂、CaO-Ca₁₂Al₁₄O₃₃吸附剂,并将其作为重整催化剂、CO₂吸附剂应用在焦油蒸汽重整制取氢气的研究中,通过与普通蒸汽重整进行对比,系统地研究了重整温度、S/C比（反应体系中水蒸气与碳元素的摩尔比）、质量空速对焦油吸附强化蒸汽重整制氢特性的影响。结果表明,CO₂吸附剂的加入能够有效提升焦油重整效果,氢气产率、体积分数均得到显著提高,其中氢气体积分数达95%以上。随着S/C比的增加、质量空速的减小,普通蒸汽重整和吸附强化重整的制氢效果均是增强的,且均在S/C比、质量空速分别达到12：1、0.128 h⁻¹后增幅不再明显;尽管如此,相比普通重整,吸附强化重整降低了最佳重整制氢温度,在800℃时氢气产率能够达到87.35%。     

基于钴改性的钙基吸附剂污泥富氢气化

基于钙基吸附剂的污泥蒸汽气化制取富氢合成气是一种高效环保的污泥处理方式。本文采用溶胶-凝胶法制备了Co改性、Al₂O₃为载体的钙基吸附剂。借助热重分析仪测定不同钙基吸附剂在多个碳酸化和煅烧循环中的CO₂吸附能力和循环稳定性,并在固定床上进行污泥蒸汽气化实验。结果显示：煅烧过程中,以Al₂O₃为载体的钙基吸附剂中的Al₂O₃与CaO生成七铝酸十二钙(Ca₁₂Al₁₄O₃₃),并表现出优异的孔隙结构的和CO₂吸附能力,其中,Co质量分数为10%的吸附剂在30次循环（700℃碳酸化35min,850℃煅烧5min）中碳酸化率稳定在70%左右;提高气化温度及Co的添加量可促进焦油裂解和甲烷重整反应,显著提高了合成气中H₂的浓度和产量及污泥气化的冷煤气效率,有利于富氢气体的制取;在650℃下,相比于纯CaO,添加Co质量分数为15%的吸附剂时,H₂产量提高了102%,H₂体积分数提高到85%。     

炼厂氢制取燃料电池级氢气技术研究

以炼化企业重整制氢中变气为原料,测试、改进并优选吸附材料,通过研究建立了制取燃料电池级氢气的吸附剂装填理论计算方法,并搭建了实验装置,对变压吸附制取燃料电池级氢气的吸附剂配比与工艺条件进行了系统研究。     

M-MOF-74吸附分离H2/He混合物的分子模拟研究

为了探究有机金属框架MOF-74能否作为一种优良的固体吸附剂,分离H₂/He混合物中H₂,并达到提纯He的目的,采用分子模拟的手段研究了H₂、He及H₂/He混合物在M-MOF-74（M=Mg、Co、Ni、Cu、Zn）上的吸附性能及吸附机理。结果表明,在1 bar（1 bar=10⁵ Pa）压力和25℃条件下,纯H₂对纯He在Ni-MOF-74上的选择性达6.58,而Mg-MOF-74对H₂的吸附量最大,其值为0.19 mmol·cm^-3,为He吸附量的6.46倍。当H₂/He混合物的浓度发生变化时,对其在M-MOF-74上的吸附分离因子没有较大影响,说明浓度变化不会影响M-MOF-74上吸附位点容纳H₂和He的能力。吸附位点和吸附热分析表明,MOF-74上的金属离子未饱和位点能够显著增强其对H₂的吸附能力。其结果对判断M-MOF-74是否具有分离H₂/He混合物的潜力,以及定量分析MOFs金属未饱和位点对H₂/He混合物分离的贡献提供了一定的理论基础。     

M-MOF-74吸附分离H2/He混合物的分子模拟研究

为了探究有机金属框架MOF-74能否作为一种优良的固体吸附剂,分离H₂/He混合物中H₂,并达到提纯He的目的,采用分子模拟的手段研究了H₂、He及H₂/He混合物在M-MOF-74（M=Mg、Co、Ni、Cu、Zn）上的吸附性能及吸附机理。结果表明,在1 bar（1 bar=10⁵ Pa）压力和25℃条件下,纯H₂对纯He在Ni-MOF-74上的选择性达6.58,而Mg-MOF-74对H₂的吸附量最大,其值为0.19 mmol·cm^-3,为He吸附量的6.46倍。当H₂/He混合物的浓度发生变化时,对其在M-MOF-74上的吸附分离因子没有较大影响,说明浓度变化不会影响M-MOF-74上吸附位点容纳H₂和He的能力。吸附位点和吸附热分析表明,MOF-74上的金属离子未饱和位点能够显著增强其对H₂的吸附能力。其结果对判断M-MOF-74是否具有分离H₂/He混合物的潜力,以及定量分析MOFs金属未饱和位点对H₂/He混合物分离的贡献提供了一定的理论基础。     

镍基非对称中空纤维膜用于乙醇自热重整制氢

采用纺丝-烧结技术制备了具有内表面致密皮层的外支撑式金属镍非对称中空纤维膜,并用于乙醇自热重整（EATR）制氢,研究了温度、进料流速、吹扫气流速、水醇比（S/C）以及氧醇比（O₂/C）等操作条件对膜制氢性能的影响。结果表明,金属镍非对称中空纤维膜既具有优异的EATR催化活性,又有良好的透氢性能。在500～1000℃、S/C=4、O₂/C=0.8的条件下乙醇可完全转化,H₂产率和H₂渗透通量可分别达到81.59%和13.99 mmol/（m²·s）,增加进料中氧气含量可显著抑制膜表面积炭,但同时也会降低氢气产率和一氧化碳选择性。     

带循环的二阶变压吸附碳捕集工艺模拟、实验及分析

针对日益严重的温室效应及传统CO₂捕集和储存技术的不足,设计带循环的二阶四塔变压吸附装置捕集电厂烟道气中的二氧化碳,采用炭分子筛作为第一阶二塔处理装置吸附剂,采用13X作为第二阶二塔处理装置的吸附剂。建立上述工艺的数学模型,通过实验验证数学模型和模拟结果的准确性。模拟结果表明,本工艺可以将烟道气中的CO₂（15%）富集为纯度95%的产品气,收率为93.92%,工艺处理量为4.576 mol CO₂·h^-1·kg^-1,能耗为0.847 MJ·（kg CO₂）^-1,通过对比,本工艺具有处理量大、回收率高、纯度高的优点。在此基础上,根据数学模型分析二阶床层在一个周期内的压力变化、温度分布、固相和气相组成分布、能耗组成、生产能力。     

真空变压吸附提纯沼气的实验

以煤基碳分子筛为沼气净化吸附剂,借助扫描电镜观察了碳分子筛的表面形貌,并通过物理化学吸附仪表征了碳分子筛的孔径分布。基于静态容积法测定了CO₂与CH₄在碳分子筛的静态吸附量,并估算了CO₂与CH₄在碳分子筛的动力学扩散系数。单塔穿透实验考察了吸附压力与进料流量对原料气中CO₂穿透曲线的影响,选取吸附压力为0.3 MPa,进料流量为4 L·min-1进行两塔六步真空变压吸附提纯沼气的实验研究,并考察了吸附步骤时长与产品气冲洗率对CH₄富集效果的影响。实验结果表明,吸附步骤时长为140 s,冲洗率为0.05时,产品气中CH₄纯度可达98%,收率可达82%。     

Comparative study on pressure swing adsorption system for industrial hydrogen and fuel cell hydrogen

In order to improve the design of PSA system for fuel cell hydrogen production, a non-isothermal model of eight-bed PSA hydrogen process with five-component (H₂/N₂/CH₄/CO/CO₂=74.59%/0.01%/4.2%/2.5%/18.7% (vol)) four-stage pressure equalization was developed in this article. The model adopts a composite adsorption bed of activated carbon and zeolite 5A. In this article, pressure variation, temperature field and separation performance are stimulated, and also effect of providing purge (PP) differential pressure and the ratio of activated carbon to zeolite 5A on separation performance in the process of producing industrial hydrogen (CO content in hydrogen is 10 μl·L^-1) and fuel cell hydrogen (CO content is 0.2 μl·L^-1) are compared. The results show that Run 3, when the CO content in hydrogen is 10 μl·L^-1, the hydrogen recovery is 89.8%, and the average flow rate of feed gas is 0.529 mol·s^-1; When the CO content in hydrogen is 0.2 μl·L^-1, the hydrogen recovery is 85.2%, and the average flow rate of feed gas is 0.43 mol·s^-1. With the increase of PP differential pressure, hydrogen recovery first increases and then decreases, reaching the maximum when PP differential pressure is 0.263 MPa; With the decrease of the ratio of activated carbon to zeolite 5A, the hydrogen recovery increases gradually. When the CO content in hydrogen is 0.2 μl·L^-1 the hydrogen recovery increases more obviously, from 83.96% to 86.37%, until the ratio of activated carbon to zeolite 5A decreases to 1. At the end of PP step, no large amount of CO₂ in gas or solid phase enters the zeolite 5A adsorption bed, while when the CO content in hydrogen is 10 μl·L^-1, and the ratio of carbon to zeolite 5A is less than 1.4, more CO₂ will enter the zeolite 5A bed.     

Performance characteristics of fluidized bed syngas methanation over Ni-Mg/Al2O3 catalyst

The performance characteristics of isothermal fluidized bed syngas methanation for substitute natural gas are investigated over a self-made Ni–Mg/Al2O3 catalyst. Via atmospheric methanation in a laboratory fluidized bed reactor it was clarified that the CO conversion varied in 5% when changing the space velocity in 40–120 L·g?1·h?1 but the conversion increased obviously by raising the superficial gas velocity from 4 to 12.4 cm·s?1. The temperature at 823 K is suitable for syngas methanation while obvious deposition of uneasy-oxidizing Cγoccurs on the catalyst at temperatures around 873 K. From a kinetic aspect, the lowest reaction temperature is suggested to be 750 K when the space velocity is 60 L·g?1·h?1. Raising the H2/CO ratio of the syngas increased proportionally the CO conversion and CH4 selectivity, showing that at enough high H2/CO ratios the active sites on the catalyst are sufficient for CO adsorption and in turn the reaction with H2 for forming CH4. Introducing CO2 into the syngas feed suppresses the water gas shift and Boudouard reactions and thus increased H2 consumption. The ratio of CO2/CO in syngas should be better below 0.52 because varying the ratio from 0.52 to 0.92 resulted in negligible increases in the H2 conversion and CH4 selectivity but decreased the CH4 yield. Introducing steam into the feed gas affected little the CO conversion but decreased the selectivity to CH4. The tested Ni–Mg/Al2O3 catalyst manifested good stability in structure and activity even in syngas containing water vapor.     

双极膜电渗析法连续制备聚合硫酸铁

研究了双极膜电渗析法连续制备聚合硫酸铁（PFS）的工艺。主要考察了电流密度、原料补充液中硫酸亚铁和硫酸的摩尔比以及原料补充液流速对产品PFS各性能指标（盐基度、全铁含量、pH、密度等）和过程能耗的影响。研究结果表明：电流密度从10mA/cm²增加到20mA/cm²时,盐基度从8.59%显著增加到11.32%,去浊率从84.31%逐渐增加到95.34%,但当电流密度大于20mA/cm² 时,盐基度和去浊率稍有下降,过程能耗最高可达4.26kW·h/kg H₂SO₄,酸液罐酸浓度最高可达0.45mol/L;原料补充液中硫酸亚铁和硫酸的摩尔比从2.01增加到4.08时,盐基度从8.69%增加到11.38%,去浊率从94.96%逐渐增加到95.88%,能耗在3.05~3.15kW·h/kg H₂SO₄ 范围内变化,酸液罐酸浓度约为0.38mol/L;原料补充液流速从1mL/min增加到3mL/min时,盐基度从11.52%下降到6.75%,去浊率从95.92%逐渐降低到75.61%,同时,能耗从3.09kW·h/kg H₂SO₄下降到2.77kW·h/kg H₂SO₄。     

Renewable hydrogen production from steam reforming of glycerol (SRG) over ceria-modified γ-alumina supported Ni catalyst

Excess crude glycerol derived as a by-product from biodiesel industry prompts the need to valorise glycerol to value-added chemicals. In this context, catalytic steam reforming of glycerol (SRG) was proposed as a promising and sustainable alternative for producing renewable hydrogen (H₂). Herein, the development of nickel (Ni) supported on ceria-modified mesoporous γ-alumina (γ-Al₂O₃) catalysts and their applications in catalytic SRG (at 550-750 °C, atmospheric pressure and weight hourly space velocity, WHSV, of 44,122 ml·g^-1·h^-1 (STP)) is presented. Properties of the developed catalysts were characterised using many techniques. The findings show that ceria modification improved Ni dispersion on γ-Al₂O₃ catalyst support with highly active small Ni particles, which led to a remarkable catalytic performance with the total glycerol conversion (ca. 99%), glycerol conversion into gaseous products (ca. 77%) and H₂ yield (ca. 62%). The formation rate for H₂ production (14.4 × 10^-5 mol·s^-1·g^-1, TOF (H₂) = 3412 s^-1) was significantly improved with the Ni@12Ce-Al₂O₃ catalyst, representing nearly a 2-fold increase compared with that of the conventional Ni@Al₂O₃ catalyst. In addition, the developed catalyst also exhibited comparatively high stability (for 12 h) and coke resistance ability.     

多孔膜反应器中丙烷催化脱氢制丙烯的模拟研究

针对丙烷高效脱氢制丙烯的多孔膜反应器构建了无量纲数学模型并进行了模拟研究,考察了催化剂活性、透氢膜性能、操作条件对多孔膜反应器中丙烷脱氢的转化率、丙烯收率、氢气收率和纯度的影响。结果表明,移走产物氢气可以有效提升膜反应器的性能,其性能的提升程度由不同温压条件下催化剂和透氢膜性能共同决定。高活性催化剂是丙烷高效转化的基础,催化剂活性越高,膜反应器内的产氢速率越快;其次,膜的选择性和渗透通量越高,氢气的移除效率越高,可在最大程度上打破热力学平衡的限制,使反应向生成丙烯的方向移动。当多孔透氢膜的氢气渗透率在10^-7~10^-6 mol·m^-2·s^-1·Pa^-1,H₂/C₃H₈选择性达到100时,其丙烷转化率可以与Pd膜反应器内的转化率相当,但分离的氢气纯度低于Pd膜反应器。与传统的固定床反应器相比,膜反应器由于促进了化学平衡的移动,可以在较低的反应温度下获得相当高的丙烷转化率,且丙烷转化率随着反应压力的增加呈现出一个最大值。该模拟研究可为实际生产过程中膜反应器用于PDH反应的高效强化提供有益的技术指导。     

常压盐溶液-丁二酸转晶体系中pH对α-CaSO4·0.5H2O的影响

以磷石膏为原料,丁二酸为转晶剂,采用常压盐溶液法制备α-CaSO₄·0.5H₂O的体系中,在温度为103 ℃、反应时间为3 h、丁二酸掺量为0.05%（质量分数）、氯化钠质量分数为15%的条件下研究pH对制备α-CaSO₄·0.5H₂O的影响。结果表明：当pH为7.0~9.0时,可以得到长径比为1∶1~3∶1的短柱状α-CaSO₄·0.5H₂O晶体。FT-IR和XPS表征结果显示,合适的pH条件下,丁二酸电离出适量的羧酸根离子吸附于α-CaSO₄·0.5H₂O晶体晶面上与钙离子络合,减缓了α-CaSO₄·0.5H₂O晶体在晶面上的生长速度,减小了晶体长径比。XRD和TEM表征结果证实,羧酸根离子吸附于α-CaSO₄·0.5H₂O晶体的（204）晶面上与钙离子络合。     

中间气两步充压对快速真空变压吸附制氧的影响

针对快速变压吸附制氧浓度和回收率低问题,提出了用于提高产氧浓度和回收率的中间气两步充压的快速真空变压吸附流程,并对该流程进行了研究。结果表明：在快速真空变压吸附制氧过程中,中间气先在出气端充压可以有效提高产氧浓度,之后再在进气端充压可提高氧气回收率。出气端充压前中间气压力及氧浓度和进气端充压后床层压力是影响产氧浓度和回收率提高的关键参数。当吸附和解吸压力分别为240、60 kPa时,循环氧气回收率为34.57%,且每天产单位吨氧需吸附剂量为61.18 kg·TPD^-1。     

B-ZSM-5沸石分子筛膜的制备及正/异丁烷分离性能

采用两次变温热浸渍法在大孔α-Al₂O₃多孔管状载体外表面涂覆B-ZSM-5大小晶种,以制备平整、连续且致密的B-ZSM-5晶种层,随后在晶化成膜液的稀溶液体系下,利用二次生长法在α-Al₂O₃管外表层成功制备B-ZSM-5沸石分子筛膜。实验采用扫描电子显微镜(SEM)和X射线衍射仪(XRD)对B-ZSM-5沸石分子筛膜的形貌和结构进行了表征,同时利用气体渗透测试装置分别测试了其对H₂、N₂、CH₄、n-C₄H₁₀、i-C₄H₁₀的气体渗透速率,并探究了温度对n-C₄H₁₀/i-C₄H₁₀异构体分离的影响。研究结果表明,B-ZSM-5沸石分子筛膜对n-C₄H₁₀/i-C₄H₁₀异构体分离具有较好的分离效果,在200℃、0.125 MPa下,B-ZSM-5沸石分子筛膜对n-C₄H₁₀/i-C₄H₁₀异构体的理想分离系数达104.73,对n-C₄H₁₀和i-C₄H₁₀的气体渗透速率分别为5.98×10^-8和5.71×10^-10mol·m^-2·s^-1·Pa^-1。