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变压吸附提纯沼气中CH_4的试验研究

作　者: 于洁
导　师: 李文哲
学　校: 东北农业大学
专　业: 农业机械化工程
关键词: 沼气变压吸附甲烷二氧化碳
分类号: S216.4
类　型: 硕士论文
年　份: 2012年
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内容摘要

沼气主要成分为甲烷(CH4),约占总体积的55%-65%,其余主要是CO2。近年来,沼气的工业化利用得到世界各国的普遍关注,尤其在欧洲等国,已将沼气用做汽车燃料。但由于沼气中含有较高的CO2,这不仅会降低沼气的热值,而且增加了运输和储存的成本,所以有效脱除沼气中的CO2对实现沼气工业化利用具有重要意义。分离沼气中甲烷和二氧化碳的方法很多,变压吸附法因其具有成本低、自动控制简单、操作容易、不会对环境造成二次污染等优点,被认为是非常有前景的分离沼气中甲烷和二氧化碳的方法。根据前人应用变压吸附分离空气、氢气混合物的方法,设计并制造了一套手动两塔变压吸附分离沼气中甲烷和二氧化碳的试验装置,利用此装置,进行了吸附剂的比选,并对比选出的吸附剂进行了工艺参数的探索。在此基础上,为了实现变压吸附工艺的循环和得到连续的产品气,设计并制造了三塔自动控制变压吸附装置,并利用此三塔变压吸附装置,对所选吸附剂的工艺参数进行验证和优化,由此确定了所选吸附剂分离沼气中甲烷和二氧化碳的最佳工艺参数。取得的主要研究成果如下：1参照前人利用变压吸附法分离空气、氮气、氢气的方法,设计并制造了一套手动两塔变压吸附装置。2根据文献,选择硅胶、13X分子筛、5A分子筛三种吸附剂,对其进行不同吸附压力下(0.1-0.8MPa)的吸附特性对比试验,结果表明：5A分子筛在吸附压力为0.7MPa下,获得的甲烷浓度最高,为90.24%；13X分子筛在吸附压力为0.74MPa下,获得甲烷浓度次之,为75.95%；硅胶在吸附压力为0.7MPa下,获得甲烷浓度最低,为70.48%,所以本试验选择5A分子筛为分离沼气中甲烷和二氧化碳的吸附剂。3利用两塔变压吸附装置进行试验,测量了5A分子筛在吸附压力为0.7MPa,流量分别为8.7L· min-1,16.5L· min-1,22.1L· min-1,27.4L· min-1,34.1L· min-1,40.6L· min-1条件下的穿透曲线。结果表明随着流量的增大,穿透时间越来越短,获得出口端甲烷的浓度越来越低,在流量为22.1L·min-1时,连续获得的甲烷浓度最大,平均为83.5%,穿透的极限时间为200s。4为了回收在吸附塔完成吸附后,吸附塔内有效气体的时间,测量了在不同流量下,吸附塔吸附完成后的降压曲线,得到降压时间超过10s后,出口端气体中二氧化碳的浓度增高,其含量超过了原料气中二氧化碳的浓度,此时混合气体已不能作为回收气体为其它塔进行充压,会降低产品气的浓度,所以得到吸附塔回收有效气体的时间,即均压时间,应控制在10s内。5采用抽真空的方法对所选吸附剂的再生性能进行了研究。通过对不同流量下已完成吸附和降压的吸附剂进行脱附曲线的测量,从试验结果中可以看到在每种流量下,吸附剂均能再生完全,用真空泵经过一段时间的抽真空,发现从吸附塔抽出的气体中已不含二氧化碳,最长的抽真空的时间,即再生时间为560s,通过试验得到,在流量22.1L·min-1时,吸附剂的再生时间为560s。6为了实现5A分子筛的工艺循环和得到连续的产品气甲烷,需要让装置实现自动控制并增加吸附塔个数,因此在原有装置的基础上,设计并制造了一套自动控制三塔变压吸附装置。7利用三塔自动控制装置实现变压吸附工艺的自动循环,需要确定吸附剂的吸附时间和均压时间,分别测量了吸附压力在0.7MPa下,流量为22.1L·min-1,吸附时间在170s、180s、190s、200s,均压时间在5s、10s,降压压力点为0.1MPa,脱附时间在560s时,三塔变压吸附工艺循环后得到的各塔出口端甲烷的浓度,试验得到吸附时间在180s、均压时间在10s时,得到的甲烷浓度最高,三塔平均为87.71%,最高浓度为88.87%,此条件为利用5A分子筛实现三塔变压吸附法脱除沼气中二氧化碳的最佳工艺参数。

全文目录

摘要  8-10
Abstract  10-12
1 引言  12-23
  1.1 研究目的和意义  12
  1.2 沼气提纯的方法  12-16
    1.2.1 吸收法  12-14
    1.2.2 膜分离法  14
    1.2.3 吸附法  14-16
  1.3 变压吸附法去除CO_2的研究现状及发展趋势  16-20
    1.3.1 变压吸附法分离CH_4/CO_2工艺过程及特点  16-19
    1.3.2 变压吸附法提纯沼气在国内外的研究现状  19-20
  1.4 脱除CO_2吸附剂的选择  20-21
  1.5 研究的主要内容  21-23
    1.5.1 课题来源  21
    1.5.2 课题研究的主要内容  21-23
2 试验装置设计和试验方案  23-33
  2.1 材料与设备  23
    2.1.1 材料  23
    2.1.2 设备  23
  2.2 吸附塔的设计  23-27
    2.2.1 吸附塔主体设计  23-26
    2.2.2 连接管路材料选择及尺寸确定  26-27
  2.3 试验装置与流程  27-29
  2.4 试验方案  29-33
    2.4.1 吸附剂的筛选  29
    2.4.2 优选吸附剂工艺参数的探索  29-32
    2.4.3 气体浓度的测定方法  32-33
3 试验结果  33-44
  3.1 三种吸附剂脱除CO_2性能对比分析  33-35
  3.2 以5A分子筛为吸附剂的PSA工艺参数的探索试验  35-42
    3.2.1 5A分子筛在不同流量下的穿透曲线  35-37
    3.2.2 5A分子筛降压曲线的测量  37-40
    3.2.3 5A分子筛脱附曲线的测量  40-42
  3.3 本章小结  42-44
4 试验装置的改进与试验验证  44-57
  4.1 两塔装置变三塔装置  44-47
  4.2 三塔变压吸附装置自动控制的设计  47-51
    4.2.1 测控参数的确定  47
    4.2.2 硬件的选择  47-48
    4.2.3 系统电路设计  48-51
  4.3 系统调试及运行  51-52
  4.4 5A分子筛最佳工艺时间参数的确定试验  52-57
    4.4.1 吸附时间的确定  52-53
    4.4.2 均压时间的确定  53
    4.4.3 5A分子筛最佳工艺参数的试验小结  53-57
5 结论与建议  57-59
  5.1 主要结论  57-58
  5.2 存在的问题与建议  58-59
致谢  59-60
参考文献  60-63
攻读硕士期间发表的学术论文  63

变压吸附提纯沼气中CH_4的试验研究

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