《变压吸附PSA净化天然气技术.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《变压吸附PSA净化天然气技术.docx（9页珍藏版）》请在taowenge.com淘文阁网|工程机械CAD图纸|机械工程制图|CAD装配图下载|SolidWorks_CaTia_CAD_UG_PROE_设计图分享下载上搜索。
1、变压吸附 PSA 净化自然气技术黄星;曹文胜【摘 要】为了满足自然气净化过程符合小型 LNG 装置机动敏捷、开停便利的要求, 承受 PSA 变压吸附法对自然气进展液化前的预处理.变压吸附法的关键在于吸附剂的选择.通过综述各种变压吸附法对自然气的净化处理,包括脱水、脱氮、脱碳、脱硫、脱汞等,探讨各种吸附剂的吸附力量以及吸附效果.最终,对变压吸附的前景进展了展望.【期刊名称】低温与特气【年(卷),期】2023(032)003【总页数】4 页(P6-9)【关键词】自然气;净化;变压吸附;PSA;脱水【作 者】黄星;曹文胜【作者单位】集美大学机械与能源工程学院,福建厦门 361021;集美大学机械与能
2、源工程学院,福建厦门 361021;福建省能源清洁利用与开发重点试验室,福建厦门361021;福建省清洁燃烧与能源高效利用工程技术争论中心,福建厦门 361021【正文语种】中 文【中图分类】TE6441.1 变压吸附根本原理变压吸附是利用分子筛筛分机理的特性来实现气体分别的。即利用气体组分在固体材料上吸附特性的差异以及吸附量随压力变化的特性，通过周期性的压力变换过程实现气体分别或提纯的过程。变压吸附净化过程中，各组分在吸附剂上的吸附力量随着压力的增高而增加，随着压力的降低而削减。高压吸附，低压解吸，吸附剂可循环使用。为了实现有效的气体分别，要求产品组分与杂质组分间的分别系数到达某一设计值，且
3、必需考虑吸附剂对气体组分的吸附与解吸的冲突。吸附剂除了要具备较强的吸附性能外，还必需具备较好的解吸性能，这样才能保证吸附剂较长的使用寿命。1.2 变压吸附技术的优点1. 能耗低。一方面是由于变压吸附PSA在常温下操作，不必加热和冷却；另一方面是 PSA 工艺压力范围广，一般为 0.12.5 MPa，一些带压气源不需要再次加压。2. 工艺流程简洁。无需简单的预处理工序即可实现多种气体的分别，对硫化物、烃类等有较强的吸附力量。3. 制备的产品纯度高、质量好。4. 自动化程度较高。整套吸附装置由计算机掌握，能够实现全自动生产。开停车快速便捷，通常开车约 0.5 h 即可得到合格产品，停车可在数分钟内
4、完成。5. 装置操作弹性大，调整力量强。由于变压吸附是物理吸附，因此可以通过转变吸附时间等操作参数来转变生产负荷，从而适应前段工序的变化，并且可以保证不同负荷条件下生产的产品质量不变。6. 装置牢靠性高。一方面装置中只有程序掌握阀是运动部件，而掌握阀的工作寿命长、故障率极低；另一方面，整套装置配有计算机专家诊断系统，可以实现故障的自动诊断以及吸附塔的自动切换，从而使装置的牢靠性进一步提升。7. 吸附剂的使用周期长。一般可以使用 10 a 以上，且稍加的吸附剂就可以延长使用时间。8. 环境效益好。变压吸附装置在运行过程中，不会造成的污染。2.1 脱水为了避开自然气中水对加工工艺的影响，需将自然气
5、中的游离水脱除，使其露点到达70以下，到达低温处理的要求。目前，工业上常用的固体吸附剂有硅胶、活性氧化铝、分子筛。对于变压吸附法脱水，分子筛具有更多的优点，如吸附选择性强，吸附容量大，且使用寿命长，并不易被液态水破坏，因而得到了广泛应用。绿能气体处理厂的分子筛脱水装置承受变压再生工艺，是双塔流程，一塔进展脱水操作，另一塔进展吸附剂分子筛的再生和冷却操作。变压再生工艺包括泄压、加热、冷吹和充压四个过程。泄压气和再生气经预处理后进入原料气压缩机入口。充压则 由另一正在脱水的枯燥塔来完成。通过试验得出，运用此变压吸附法得到的产品气 露点为76冬天和72夏天，满足自然气液化要求1。2.2 脱氮对于自然
6、气中氮气的脱除，目前所承受的变压吸附吸附剂主要有分子筛与活性炭， 其中分子筛包括沸石分子筛ZMS与碳分子筛CMS。周圆圆等2在前期模拟工作的根底上，通过运用活性炭为吸附剂，借助于Aspen Adsim 模拟软件对三塔 VPSA 试验进展了模拟，其模拟值与试验值均能很好的吻合，成功地描述了甲烷与氮气在三塔中吸附分别的过程。试验装置阀门均由电磁阀掌握，原料气、塔顶出口气、塔底产品气的甲烷浓度均由气相色谱在线测量分析。试验所用的吸附剂为自制超级活性炭，以内径 40 mm、长度 500 m 的不锈钢管为吸附塔，依据试验需要自设电磁阀程序，掌握试验循环时序。每个吸附塔都经受了产品气升压、终升、吸附、均压
7、降、真空脱附、均压升 6 个步骤。通过单塔穿透试验、三塔 VPSA 工艺的试验与模拟比照，得出的结论为：浓度为 30% 的 CH4 原料混合气经过三塔 VPSA 浓缩分别后，CH4 浓度提高到 60%62%， 对塔顶排解的低浓度甲烷混合气，结合该试验室双塔 PSA 装置对低浓度甲烷的浓缩工艺，可以使甲烷的回收率接近 100%。分子筛分别 CH4/N2 主要承受动力学效应，也有承受平衡分别效应的。动力学效应分别是利用气体分子不同则大小不同，导致气体在吸附剂微孔内集中速率的差异进展分别。当 CH4、N2 动力学分别系数 DN2/DCH4 高于 10 时，可实现 PSA 动力学分别。Ackley 测
8、得自然斜发沸石在 7105Pa 下，85%/ 15%的 CH4/N2 经PSA 动力学分别后，CH4 的纯度和回收率分别可达 95%和 73%。Habgood 以4A 分子筛为吸附剂，将 80%/20%的 CH4/N2 经 PSA 动力学分别后，CH4 的纯度可达 90%以上，缺乏的是 PSA 过程局限在790的低温条件下。钛硅系列分子筛常见的有 TS-1、ETS-4、ETS-10 等，气体分别应用效果较好的是 ETS-4。运用 ETS-4 的 PSA 纯化自然气可使 N2 含量从 18%降到 5%以下，CH4 浓缩到90%以上。Ambalavanan 以镁型斜发沸石为吸附剂，80%/20%的
9、 CH4/N2 经PSA 动力学分别后，CH4 的纯度可达 96%以上。CMS 微孔特征介于沸石分子筛与活性炭之间，其用于 PSA 分别 CH4/ N2 也大都是基于动力学效应。Fatehi 以BF 公司的 CMS 为吸附剂对 CH4/N2 的分别进展了争论，60%/ 40%与 92%/8%的 CH4/N2 混合物经 PSA 分别后，出口 CH4 的纯度分别可达 76%和 96%3。Simone Cavenati4等通过变压吸附法分别 CH4/N2/CO2，第一层运用 13X吸附剂去除 CO2，其次层运用 3K 吸附剂去除 N2，利用三元突破曲线分析通入比例为 60%CH4/20%CO2/20
10、%N2 的混合气，能够得到高压净化自然气。与基于吸附平衡原理的活性炭分别法比较，基于动力学效应的分子筛是更适宜的PSA 分别 CH4/ N2 的吸附剂，由于它在 PSA 过程中具有能消耗用低、分别效果较好的优势。2.3 脱 CO2变压吸附法PSA脱除自然气和三次采油的油田伴生气中的 CO2，无论在产品纯度和回收率、CO2 浓度适应性，还是在投资、能耗、环保方面均具有较大优势。四川省达科特公司5开发了脱碳专用吸附剂 DKT-511，其 CO2/CH4 的吸附比可达 50，对原料气 CO2 浓度波动适应性强并可有效保证甲烷收率99%。王春燕6等依据操作压力、气体组成、净化气和回收 CO2 气体的产
11、品质量要求，综合分析后承受 12-3-14/VPSA 流程，即共 12 座吸附塔、3 塔吸取 14 次均压、抽真空再生流程。通过预处理和变压吸附两个步骤，使得解析气 CO2 纯度为95.9%，甲烷回收率达 98.7%。杨皓等7争论了活性炭的孔径分布对 CH4 和 CO2 吸附性能的影响。试验承受椰壳为碳源，在 600、700、800条件下碳化后，又在 700、800、900条件下活化，得到 3 种活性炭样品，分别标记为 AC-1，AC-2，AC-3。承受自制吸附仪测试了 25、压力 0220 kPa 条件下，CH4 和 CO2 在系列活性炭上的吸附等温曲线。通入的混合气 CH4/CO2 比例为
12、 9：1。得出的试验结论为：25、100 kPa 时，AC-2 对 CO2 的吸附量可达 2.04 mmol/g。AC-2 具有适当的微孔和中孔数，对 CO2、CH4 的吸附量差异最大。AC-2 是变压吸附分别自然气中少量 CO2 的优质吸附剂。冯琛然等8提出承受变压吸附法和低压二氧化碳吸取法的自然气高效分别提纯系统来联合互补处理自然气，其中二氧化碳的浓度可达 99.5%。该法将沼气集中后进展除硫、枯燥、分别，然后将分别出的 CH4 进展加压存储供 CNG 汽车使用， 或直接送入自然气管网。利用 4A 分子筛在常温顺肯定压力下对自然气中 CH4 和CO2 吸附容量不同，对其进展分别。该法的创之
13、处在于提出了联合吸附法。BAO Zongbi 等9争论了型吸附剂铜金属有机框架Cu-MOF在变压吸附条件下去除 CH4 中 CO2 的可行性。试验中的 Cu-MOF 通过水热法制备，该金属框架有较小的孔隙，利用对 CO2 与 CH4 不同的集中速率进展动力学分别。试验在 3 个温度278、298、318 K以及 800mmHg约 0.1 MPa高压下进展， 获得的图像证明白 Cu-MOF 吸附剂有很大的吸附容量以及很好的热稳定性，它的热稳定性高于碳分子筛与 5A 沸石分子筛。承受型吸附剂或开发联合工艺是变压吸附法去除自然气中 CO2 的高效、经济、可行的方法。2.4 脱 H2SZHOU Li
14、等10在自然气变压吸附技术中去除 H2S 运用的吸附剂为在硅胶层上 掩盖一层 n 甲基 2 吡咯烷酮nmp以替代传统吸附剂。该吸附剂对 H2S 具有良好的选择性及高溶解度，而硅胶不仅能延长气体之间的接触时间，也延长吸附时间。试验中对有 nmp 涂层的吸附剂与没有 nmp 涂层的吸附剂吸附 H2S 的力量进展了 比照，并进展了吸附剂再生试验，验证了 nmp 适合长时间操作。同时验证了含有nmp 层的吸附剂吸附饱和 H2S 很简洁再生并且稳定性好。该自然气脱硫 PSA 技术在投资与能耗上优于现今的技术。Alonso-Vicario 等11主要通过 3 个根本参数：对杂质的选择性、吸附力量、可再生性
15、，比照了变压吸附条件下斜发沸石与两种合成分子筛5A，13X净化气体的优劣。试验中通入的 CH4/CO2/H2S 混合自然气摩尔比例为59.95/39.95/0.10，37 个大气压，温度为 25。使用 PID 掌握器连接到质谱仪上对出口气体进展分析。变压吸附循环过程包括填充气体的增压步骤、在常温条件下的吸附步骤、减压步骤，以及再生步骤。在 5 次吸附解析循环过程后，合成分子筛5A，13X完全恢复活性与选择性，而斜发沸石在屡次循环后不仅照旧稳定，并且由于晶体与孔隙构造的转变对 H2S 的吸附性能显著提升。此外，斜发沸石资源丰富且价格低廉，从经济观点上看，该吸附剂具有好的应用前景。运用变压吸附法去
16、除自然气中的 H2S，国内外争论的还较少，应当着重加强对已有吸附剂吸附 H2S 的性能争论并开发型吸附剂。2.5 脱汞目前自然气脱汞工艺技术分为不行再生和可再生工艺两种。不行再生工艺较可再生工艺的投资及操作费用相对更小，因而其应用也更为广泛。达科特公司5针对自然气中的汞研发了可回收处理专用脱汞吸附剂 DKT-618，该吸附剂以特别载硫方式制得，硫在吸附剂上的分布均匀，载硫量 10%15%， 其吸汞速度和吸汞量与国外载硫脱汞吸附剂相当。DKT-618 的脱汞原理为利用吸附剂上的硫与汞反响生成稳定的硫化汞，相应的化学反响式为：2Hg+S22HgS。由于承受不行再生脱汞工艺，当吸附塔出口气汞浓度超标
17、后，需进展更换，废吸附剂可进展回收汞处理，从而不会造成汞的二次污染。目前 DKT-618 脱汞吸附剂正在某油田采气厂进展工业应用测试，通过工艺条件的转变，脱汞后自然气汞含量可分别低至 28g/m3 和 0.01g/ m3，分别满足自然气管输和自然气液化的汞含量要求。可再生工艺通常承受 HgSIV 作为变压吸附的吸附剂12。HgSIV 吸附剂是由美国 UOP 公司研发的一种型脱汞材料，该吸附剂具有良好的汞去除特性并且可再生，可同时对气体枯燥并除去 Hg。在 PacificRim 的一个 LNG 工厂中，该吸附剂的成效能使 Hg 含量从 25g/m3 降至 0.01g/m3。2.6 脱除与回收 C
18、2 及 C3 以上烃类承受真空变压吸附VPSA工艺将自然气中的 C2 及 C3 以上烃类脱除并回收， 当脱除精度要求不是很高时，可仅承受单一吸附剂 DKT-1300，而脱除精度要求高时100106，需承受 DKT-1300 和 DKT-300 作复合吸附剂床层。VPSA 工艺中每个吸附塔依次经受“吸附屡次均压降逆放抽真空屡次均压升 终充压”循环步骤，承受该工艺获得的 C2 及 C3 纯度大于 90%，甲烷收率可到达90%95%。VPSA 工艺脱除与回收自然气中的 C2 及 C3 以上烃类具有投资小、自动化程度高、占地面积小、可撬装等特点，在自然气化工行业的应用前景宽阔。目前达科特公司5已在国内
19、多家企业建成自然气脱除与回收 C2 及 C3 以上烃类的 VPSA 装置，应用效果良好。为了满足 LNG 生产装置所要求的流程简洁、设备紧凑、占用空间小、适用性强、安全牢靠等特点，本文综述了变压吸附法净化自然气的吸附剂选择、试验及实例。但是该方法很多关键技术有待解决，目前该项技术争论仍处于初期阶段。今后，变压吸附技术的进展方向主要表达在以下几个方面：1. 进一步开发研制容量更大、寿命更长、强度更高的型吸附剂。2. 优化产品生产工艺，提高产品的回收率。3. 加强硬件建设，实现设备长时间、高效率运转，提高生产效率。4. 强化根底争论，优化加压、均压、降压和冲洗程序，寻求更好的吸附剂再生方法。5.
20、通过 PSA 技术与膜分别或深冷技术的有效组合，研制复合型气体分别技术。黄 星1987，男，福建福州人，集美大学机械工程学院在读硕士争论生，主要从事自然气净化及液化方面的争论工作。【相关文献】1陈召财，等.分子筛脱水工艺分析与比较J.化学工程与装备，20232：121-122.2周圆圆，等.甲烷/氮气变压吸附分别的试验与模拟J.自然气化工，2023，365：21- 26.3刘克万，等.变压吸附分别 CH4/N2 的分子筛吸附剂进展J.材料导报，2023，241： 59-63.4SIMONE Cavenati，CARLOSA Grande，ALRIO E.Separation of CH4/CO
21、2/N2mixtures by layered pressure swing adsorption for upgrade of natural gas J.Chemical Engineering Science，202361：3893-3906.5兰治淮，等.常规和格外规自然气的净化工艺技术与应用C/自然气净化、液化、储运和 利用技术与装备沟通会论文集，2023.6王春燕，等.变压吸附技术在自然气脱除 CO2 上的应用探讨J.石油规划设计，2023，241：52-55.7杨皓，等.活性炭的孔径分布对 CH4 和 CO2 的吸附性能的影响J.无机化学学报，2023， 276：1053-105
22、8.8冯琛然，等.变压吸附法分别沼气装置争论J.宁波化工，20232：26-28.9BAO Zongbi，ALNEMRATC Sufian，YU Liang，et al.Kinetic separation of carbon dioxide and methane on a copper metal-organiframework J.Journal of Colloid andInterface Science，2023357：504-509.10ZHOU Li，YUMiao，ZHONG Limei，ZHOU Yaping.Feasibility study on pressure swi
23、ng sorption for removing H2S from natural gas J.Chemical Engineering Science ， 202359：2401-2406.11ALONSO-VICARIO A.Purification and upgrading of biogas by pressure swing adsorption on syntheticand natural zeolites J.Microporous and Mesoporous Materials ， 2023s134：100-107.12张春，等.海上浮式 LNG 预处理工艺系统适应性分析J.煤气与热力，2023，312： 5-10.