变压吸附法提纯含氮气体中CO的模拟计算与设计

针对工业冷箱尾气中CO的回收工艺,应用Aspen-Adsim软件模拟并设计五塔七步骤的变压吸附(PSA)过程。考察床层高度和周期置换气量对产品CO纯度和收率的影响。结果表明:增加周期置换气量可提高CO的纯度,但有可能降低其收率;增加床层高度可提高CO的收率,但会降低其纯度。综合考虑得到:在保证一定纯度的条件下,可采取同时增加床层高度和周期置换气量来提高CO的收率;另外,当实际过程吸附剂劣化时,可以通过调节周期置换气量来维持CO收率。     

变压吸附法净化含N2气体中微量CO的脱附过程

对N2/CO混合气中的CO在NA型吸附剂上的动态吸附和脱附行为进行研究.使用单塔吸附装置测定CO在不同分压和停留时间条件下的动态吸附量,考察降压过程中CO浓度随床层压力的变化特征,确定合适的脱附方法和条件.结果表明：0.9min是比较合适的停留时间;在床层利用率为80%条件下,顺放的气体可以达到产品气体积分数不超过5mL/m^3的要求;抽真空并使用200mL/minN2吹扫是合适的脱附再生方式.三塔的变压吸附结果表明,在常温下,反复吸附与脱附再生,可以达到吸附净化含N2气体中微量CO的效果.     

真空变压吸附捕集烟道气中二氧化碳的模拟、实验及分析

采用工业硅胶作为吸附剂,利用两塔变压吸附装置进行了烟道气变压吸附碳捕集实验。利用gPROMS软件建立两塔变压吸附模型对实验过程进行模拟,对比了实验和模拟的结果,验证了模型的准确性。通过两塔变压吸附可将15%的CO₂富集到74%,收率为91.52%。在模型基础上考察了变压吸附碳捕集过程中进料量、吸附时间、顺放压力与二氧化碳收率、纯度和能耗的关系,定性分析了吸附塔压力和进料量对压缩机能耗的影响。结果表明:增大进料量、延长吸附时间、降低顺放压力,可以有效提高产品气中CO₂浓度,但同时也导致收率的下降,前两者还会造成单位能耗的增加;吸附压力越高,进料流量越大,压缩机能耗越大。     

真空变压吸附捕集烟道气中二氧化碳的模拟、实验及分析

采用工业硅胶作为吸附剂,利用两塔变压吸附装置进行了烟道气变压吸附碳捕集实验。利用gPROMS软件建立两塔变压吸附模型对实验过程进行模拟,对比了实验和模拟的结果,验证了模型的准确性。通过两塔变压吸附可将15%的CO_2富集到74%,收率为91.52%。在模型基础上考察了变压吸附碳捕集过程中进料量、吸附时间、顺放压力与二氧化碳收率、纯度和能耗的关系,定性分析了吸附塔压力和进料量对压缩机能耗的影响。结果表明:增大进料量、延长吸附时间、降低顺放压力,可以有效提高产品气中CO_2浓度,但同时也导致收率的下降,前两者还会造成单位能耗的增加;吸附压力越高,进料流量越大,压缩机能耗越大。     

快速变压吸附制氢工艺的模拟与分析

目前工业上主要通过变压吸附技术从蒸汽甲烷重整气中制取氢产品气。然而,能源需求量的快速增加使得传统变压吸附技术在产量方面的不足越发明显。为此,进行了快速变压吸附从蒸汽甲烷重整气中制取氢气的模拟研究。采用活性炭和5A分子筛作为吸附剂,并以测得的原料气中各组分在两种吸附剂上的吸附数据为基础,进行了六塔快速变压吸附工艺的数值模拟与分析。在分析了塔内温度、压力和固相的浓度分布后,探究了进料流量、双层吸附剂高度比以及冲洗进料比三个操作参数对于快速变压吸附工艺性能的影响,结果表明：原料气组成为H₂/CH₄/CO/CO₂=76%/3.5%/0.5%/20%,吸附压力为22 bar（1 bar=10⁵ Pa）,解吸吹扫压力为1.0 bar,处理量为0.8875 mol·s^-1,吸附剂床层高度比为0.5∶0.5,冲洗进料比为22.37%时,可获得H₂纯度99.90%,回收率69.88%,此时H₂产量为0.4713 mol·s^-1。相比之下,氢气纯度为99.90%时,尽管PSA工艺回收率为83.40%,但处理量只有0.39 mol·s^-1,因此H₂产量仅为0.2472 mol·s^-1。     

变压吸附氢气纯化过程瞬态分析

变压吸附技术是工业上生产高纯氢气最常用的方法之一。然而,在实际生产过程中无法观察到塔内各组分在不同时刻的分布状态,因此借助模拟的手段来研究从投料至系统达到循环稳态期间各组分在塔内的动态变化规律,进而指导工艺改进是很有必要的。采用活性炭和5A分子筛为吸附剂,设计了八塔变压吸附工艺从蒸汽甲烷重整气中纯化氢气,模拟了变压吸附制氢开车过程,分析了开车过程中塔内各组分在吸附、顺放以及冲洗三个阶段以及循环稳态后吸附阶段瞬态吸附行为和塔内温度变化。结果表明,在吸附以及顺放等过程中重组分会随着循环周期向塔顶移动。这一现象是组分间竞争吸附和冲洗再生方式下重组分在床层底部累积两个作用因素共同导致的。这些因素在一定程度上也会造成CO的吸附前沿在吸附阶段就过多进入5A分子筛上,使得CO含量成为限制工艺性能的主要因素。     

优化变压吸附脱碳工艺减少有效气体损耗

处于吸附步骤的吸附塔内的吸附剂在吸附工作压力下，选择性地吸附原料气中CO2，当CO2的吸附前沿到达吸附床出口时，即停止进料和出料，吸附步骤停止。吸附步骤停止后，通过多次均压降，吸附塔内的有效气体大部分被与其均压的吸附塔回收，末均降结束后，吸附塔内残存的绝大多数有效气体则随吸附剂再生过程中解吸出的CO2气体带走而损失掉。末均降结束后，吸附塔内的有效气体可分为两部分，一部分存在于塔内死空间，另一部分则是被吸附剂所吸附的有效气体。     

混合气组分对CO在稀土复合吸附剂上吸附的影响

采用吸附柱动态实验装置,分别考察了混合气组分H2O、CO2、CH4对稀土复合吸附剂变压吸附CO的影响。实验结果表明,原料气中微量的H2O的存在对稀土复合吸附剂的吸附性能有较大影响,当水质量浓度仅为250mg/L时,CO的变压吸附量下降约35％;与CO相比,CO2在稀土复合吸附剂上为弱吸附组分,但对CO的吸附性能有一定影响,当CO2体积分数为1％时,CO的变压吸附量可维持在12.5 ml/g左右;而CH4的存在对CO在稀土复合吸附剂上的吸附量影响不大。     

13X-APG沸石真空变压变温耦合工艺吸附捕集烟道气中CO2

采用13X-APG沸石吸附捕集烟道气中CO2,并研发了五步循环真空变压变温(VTSA)耦合吸附捕集工艺. 实验测定了循环吸附/解吸过程中吸附剂再生率、烟道气中CO2回收率、产品气量及产品气中CO2纯度,并与传统的真空变压吸附工艺(VSA)和变温吸附工艺(TSA)比较. 由于VTSA在真空解吸的同时加热吸附剂,减少了真空泵的电耗,可在较温和的真空下(约3′103 Pa)操作,附加的吸附剂再生温度也不高,90~150℃下吸附剂再生率达97%以上,CO2回收率达98%以上. 吸附剂捕集CO2的量可提高到1.8 mol/kg,是VSA工艺产品气量的2倍,且产品气中CO2纯度提高到90%以上.     

单床方法模拟十床变压吸附提氢

采用单床方法模拟了10床5组分变压吸附提H_2,考察了吸附剂配比和均压次数的影响。结果显示,在计算条件下,H_2摩尔分数99.955%,CO含量0.26 mmol/kmol,氢气回收率90%,与工业数据吻合;从吸附结束到顺放结束,负载曲线峰面动态移动,N_2和CO负载曲线有"驼峰"形成;逆放和冲洗2个步骤解吸的杂质量最多,再生结束后CH_4残余3.29%,残余比例最小;随着分子筛比例的增加,H_2纯度增加,CO含量降低,进入分子筛层CO_2量增加,分子筛比例70%较为合适;均压次数从2次增加至5次,H_2回收率从83.6%增加至90%,原料气处理能力从1.4 mol/s减小至0.999 mol/s。     

变压吸附法回收高炉气中CO的研究

采用载铜吸附剂进行了变压吸附回收高炉气中CO的工业侧线试验 ,考察了载铜吸附剂与 5A分子筛分别用于回收高炉气中CO时的产品纯度和CO的回收率 ,试验结果表明 ,载铜吸附剂对高浓度N2 中的CO有很好的选择性 ,其性能优于 5A分子筛。从技术经济角度分析了两步变压吸附法应用于高炉气中CO回收的可行性、环境效应和经济效益。     

变压吸附净化合成氨原料气中CO的研究

采用载铜吸附剂进行了变压吸附净化合成氨原料气中CO的工业侧线实验。在部分产品气体作为再生气和抽真空再生2种条件下,考察了合成氨原料气中CO的净化过程的稳定性。试验结果表明,载铜吸附剂用于净化合成氨原料气中CO,可使产品中的CO的浓度小于1mg/m∧3。从技术经济角度出发,分析了变压吸附净化过程应用于合成氨工业的可行性。变压吸附净化合成氨原料气中CO能量消耗仅为铜洗法的20%左右,经济效益显著,具有广阔的应用前景。     

低CO和CO2含量非电加热甲烷化工艺技术

甲烷化工艺取代铜洗，对于洁净生产、减少环境污染起到了很好的作用，但原料气中CO和CO2含量的降低使甲烷化反应热减少，其系统热平衡维持困难，必须借助外加热源才能稳定运行。分析了目前甲烷化工艺自热维持方式存在的问题，介绍了低CO和CO2含量非电加热甲烷化工艺技术。实际运行情况证明，无论是高压（31．4MPa）还是中压（12．0MPa）情况下，采用过热蒸汽或变换气供热的低CO和CO2含量非电加热甲烷化工艺技术的设计是合理、成功的，运行效果令人满意。     

Kinetic study of gas-surface molecular exchange between CO/CO on metals

Isotopic switching technique has been used to study the exchange of gaseous CO* with chemisorbed CO molecules on metal surface. The kinetic curves observed on Re(0001) exhibit a nonlinear dependence of desorption rate on the surface coverage of CO. However, the desorption rate for CO on Rh(111) in the same temperature range is strictly linear with the coverage of CO. A concerted adsorption-desorption mechanism is postulated which emphasizes that the desorption of CO in enhanced by the pressure of gas phase CO* on the one hand, and may be retarded by the screening effect of the CO* molecule chemisorbed on the surface on the other hand. It is pointed out that the adsorption of CO* (or CO) and the desorption of CO (or CO*) on a surface at high coverage, i.e. the molecular exchange processes, are primarily taking place simultaneously and concertedly.     

离子液体水溶液-气体水合物对CO2的双捕获工艺

设计了以离子液体[APMIM]Br水溶液吸收-生成水合物捕获CO2工艺流程,并利用CO2在该离子水溶液中的溶解度数据和在其中生成CO2水合物的相平衡实验数据进行物料衡算. 考察了水含量、压力和液气流量比对气体吸收-水合物生成的CO2双重捕获效果的影响,对比了气体水合物与离子液体水溶液捕获CO2的能力. 结果表明,在较高压力和水含量条件下,水合物捕获CO2的效应强于离子液体溶液;较低压力下离子液体溶液吸收CO2起主要作用. 与纯水合物法相比,双捕获工艺具有一定优势,且突破了单纯水合物脱碳的压力和CO2含量要求高的局限性. 当原料气中CO2低于65%(j)时,系统的脱碳效率低于40%,对于CO2含量较低的气体,其CO2的脱除性能回归至单纯离子液体溶液体系.     

用于PEMFC的天然气水蒸气制氢系统

针对质子交换膜燃料电池（PEMFC）的应用要求,开发了一个包括天然气水蒸气重整、CO变换和变压吸附净化的制氢工艺过程,并着重对重整反应和变压吸附的操作条件进行了实验研究。考察了温度、空速和水碳比对重整反应的影响,得到适宜的工艺操作条件,实验结果表明：温度650℃、水碳比6、空速42h^-1时,氢气含量为70.21%,甲烷转化率为77.41%;分析了温度、流速对变压吸附脱除CO效果的影响,结果表明：在0.2MPa、40℃和吸附、脱附时间120s的条件下,产品气中CO浓度接近于1×10^-6,经过多次循环后产品气质量稳定,可以连续获得满足80W质子交换膜燃料电池要求的高纯度氢气。     

Equilibrium Analysis of Cyclic Adsorption Processes: CO2 Working Capacities with NaY

Abstract

The most common application of adsorption is via pressure swing adsorption. In this type of design, the feed and regeneration temperatures are kept approximately equal, whereas the feed pressure is higher than the regeneration pressure. By exploiting the difference in the amount adsorbed at a higher pressure to the amount adsorbed at a lower pressure, a working capacity is realized. Therefore, by examining the expected (ideal) working capacity of an adsorbent, a performance characteristic can be analyzed for a pressure swing adsorption process (PSA). For this work, feed pressures up to 2.0 atm CO₂ and feed temperatures from 20°C to 200°C were investigated. These limits were chosen due to the nature of the target process: CO₂ removal from flue gas.

Carbon dioxide adsorption isotherms were determined in a constant volume system at 23°C, 45°C, 65°C, 104°C, 146°C, and 198°C, for pressures between 0.001 and 2.5 atm CO₂ with NaY zeolite. These data were fit with the temperature dependent form of the Toth isotherm. Henry's Law constants and the heat of adsorption at the limit of zero coverage were also determined using the concentration pulse method. Comparison of the Henry's Law constants derived from the Toth isotherm, and those obtained with the concentration pulse method provided excellent agreement.

By using the Toth isotherm, expected working capacity contour plots were constructed for PSA (Pressure Swing Adsorption), TSA (Temperature Swing Adsorption), and PTSA (Pressure Temperature Swing Adsorption) cycles. The largest expected working capacities were obtained when the bed was operated under a high‐pressure gradient PSA cycle, or a high thermal and pressure gradient PTSA cycle. The results also showed that certain TSA and PSA cycle conditions would result with higher expected working capacities as the feed temperature increases.     

二氧化碳捕集技术及应用分析

分析了CO2捕集技术及现状。CO2捕集是CCS的关键技术单元之一,针对不同的CO2气源,国内外研究开发了多种技术。许多CO2捕集技术已经工业化,其中燃烧后烟气中CO2的捕集技术主要是以一乙醇胺(MEA)为基础的胺法;燃烧前的CO2捕集技术主要应用于IGCC电厂,一般需要对煤气中CO进行部分变换,变换后脱碳可采用成熟技术,如Selexol(NHD)等。富氧燃烧则是在中试成功的基础上,进行更大规模的工业示范。国内外大型煤制油化工项目主要采用低温甲醇洗脱除CO2,如果设置CO2产品塔,则可以获得体积分数98%以上的CO2。天然气脱碳主要采用MDEA技术。另外还有低温法、PSA、膜分离等CO2捕集技术及化学链燃烧等一些正在研发的技术。     

低分压CO_2回收新技术捕集燃煤电厂烟气CO_2

基于分子模拟和设计,开发了以一乙醇胺(MEA)为主溶剂,优选添加了活性胺、抗氧化剂和缓蚀剂组成了适用于回收低分压CO2的优良复合吸收剂,在华能北京热电厂建立了我国第1套燃煤电站烟气CO2捕集示范装置,并完成了运行测试。结果表明:CO2回收装置出来的CO2纯度为99.5%(体积分数),每tCO2蒸汽消耗为3.5GJ,每tCO2溶液消耗小于1.5kg。该套装置的建成和各项指标试验的进行将为我国大规模推广电站CO2捕集奠定基础。