CN108031240A - 一种基于heu型沸石分子筛分离甲烷与氮气的装置 - Google Patents
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Abstract
本发明介绍了一种基于HEU型沸石分子筛分离甲烷与氮气的装置；包括压缩机、进气缓充罐、产品气缓充罐、真空泵、第一组吸附机构、第二组吸附机构；第一组吸附机构包括第一进气控制阀、第一抽真控制阀、第一吸附塔、第一产品气控制阀、第一均压控制阀、第一清洗控制阀；第二组吸附机构包括第二进气控制阀、第二抽真控制阀、第二吸附塔、第二产品气控制阀、第二均压控制阀、第二清洗控制阀。本发明通过变压吸附的方法提纯甲烷，其初投资低，运行成本低，操作灵活方便，提纯效率高，吸附剂分离性能稳定，可有效的节约能源。
Description
技术领域
本发明涉及一种气体分离与净化装置领域技术，特别是一种基于HEU型沸石分子筛分离甲烷与氮气的装置。
背景技术
天然气是一种以甲烷为主的清洁能源，近年来随着经济的发展和人们生活水平的提高，越来越多的人关注环境问题，以天然气为一次能源越来越受到重视，在一次能源中所占比例也越来越高。
天然气主要以管道的形式供给，一般要求天然气热值在31.4MJ以上（甲烷浓度在95%以上）。然而目前常规天然气以及非常规天然气（煤层气、页岩气）等采集过程中往往含有大量的杂质气体，如氮气、二氧化碳、硫化氢等。
变压吸附由于投资小，运行费用低等优势在气体分离领域方面受到广泛的关注。专利CN85103557A描述了一种变压吸附浓缩煤矿瓦斯的技术，以活性炭为吸附剂，在吸附压力为0.5-1.0 MPa的条件下可以将甲烷提浓到95%以上。采用该技术在河南焦作矿务局建成我国第一套处理煤层气气量为1.2 万m3/天的浓缩工业试验装置，成功地将煤层气中的CH4体积分数从30.4％提高到63.9％，增加置换步骤后，可进一步提高到99.4%。然而该变压吸附分离法采用吸附甲烷的方法在，在低压侧获取高浓度的甲烷气体。采用该方法对甲烷进行提纯，会导致产品气压力低，需要额外升压确保进一步的输送与利用，而吸附过程中升压后的能量确白白浪费。对于杂质气体氮气较低的高浓度甲烷原料气，如采用吸附甲烷的方法进行富集则需要吸附剂具有较大的吸附容量。
采用吸附氮气的方法对甲烷浓度较高的含甲烷气体进行富集是一种十分理想的方法，才用该方法可以实现甲烷在高压侧提纯，从而便于进一步的压缩与利用，降低运行费用。然而N2、CH4的动力学半径非常接近分别为3.64、3.82，且沸点也十分接近，均为非极性气体，基于以上原因采用吸附氮气的方法吸附分离氮气和甲烷一直是变压吸附分离过程中的一个难点。
碳分子筛可通过调节孔径控制气体进入孔道的传质速度，从而实现分离。但由于碳分子筛表面极性较低且有较强的疏水性能，对甲烷具更强的吸附性能，导致吸附剂对氮气的选择性大大降低。研究者利用碳分子筛针对 N2/CH4的双组分气体开展了分离研究，指出了 N2 在吸附剂上的吸附速率远大于 CH4，然而吸附剂的平衡吸附量却是 CH4 大N2，从而影响了CH4 /N2混合气体的分离能力。从研究结果来看，其平衡分离性能表现出的甲烷平衡分离能力大大高于动力学分离能力，直接影响其对氮气和甲烷二元组分的分离性能。
HEU型沸石分子筛是一直十分适合于甲烷氮气的吸附剂，通过孔道尺寸的调节可将沸石分子筛调整为氮气平衡选择型和氮气动力学选择型的吸附剂。目前斜发沸石在变压吸附分离甲烷氮气方面的研究主要基于天然沸石和碳分子筛。本发明通过采用HEU型沸石分子筛对含有少量杂质气体氮气的富甲烷气体进行吸附提纯。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种基于HEU型沸石分子筛分离甲烷与氮气的装置，操作灵活方便，性能稳定，通过变压吸附的方法实现甲烷氮气二元组分的分离，吸附塔内装填的吸附剂为新型人工斜发沸石，新型人工合成沸石分子筛中阳离子为Li、Na、K、Mg、Sr、Ce中的一种或多种阳离子的组合，对氮气具有选择性吸附特性，能优先吸附氮气，可以将甲烷浓度为20-80%的含氮天然气富集到95%以上，且回收率超过70%。
为了实现解决上述技术问题的目的，本发明采用了如下技术方案：
一种基于HEU型沸石分子筛分离甲烷与氮气的装置，包括压缩机、进气缓充罐、产品气缓充罐、真空泵、第一组吸附机构、第二组吸附机构；
第一组吸附机构包括第一进气控制阀、第一抽真控制阀、第一吸附塔、第一产品气控制阀、第一均压控制阀、第一清洗控制阀；
第二组吸附机构包括第二进气控制阀、第二抽真控制阀、第二吸附塔、第二产品气控制阀、第二均压控制阀、第二清洗控制阀；
所述进气缓充罐一端与压缩机连接，另一端通过第一进气控制阀、第二进气控制阀分别与第一吸附塔、第二吸附塔下端连接，第一吸附塔、第二吸附塔的下端分别为第一吸附塔、第二吸附塔的进气端；所述第一吸附塔、第二吸附塔的进气端分别通过第一抽真控制阀、第二抽真控制阀与真空泵相连；当第一进气控制阀为开启状态时，第二进气控制阀为关闭状态；当第二进气控制阀为开启状态时，第一进气控制阀为关闭状态；当第一抽真控制阀为开启状态时，第二抽真控制阀为关闭状态；当第二抽真控制阀为开启状态时，第一抽真控制阀为关闭状态；
所述第一均压控制阀、第二均压控制阀，一端通过同一管道相互连通，另一端分别与第一吸附塔、第二吸附塔的上端连接；第一吸附塔、第二吸附塔的上端分别为第一吸附塔、第二吸附塔的出气端；当第一均压控制阀与第二均压控制阀用时为开启或同为关闭状态；
所述第一产品气控制阀、第二产品气控制阀一端分别与第一吸附塔、第二吸附塔出气端连接，另一端均与与产品气缓充罐连接；当第一产品气控制阀为开启状态时，第二产品气控制阀为关闭状态；当第二产品气控制阀为开启状态时，第一产品气控制阀为关闭状态；
所述第一清洗控制阀、第二清洗控制阀一端分别与产品气缓冲罐相连，另一端分别与第一吸附塔、第二吸附塔的出气端连接；当第一清洗控制阀为开启状态时，第二清洗控制阀为关闭状态；当第二清洗控制阀为开启状态时，第一清洗控制阀为关闭状态。
进一步的，所述沸石分子筛分离甲烷与氮气的装置还包括单向阀，单向阀设置在产品气缓充罐和第一产品气控制阀、第二产品气控制阀之间。
进一步的，所述沸石分子筛分离甲烷与氮气的装置还包括产品气流量调节阀，产品气流量调节阀设置在产品气缓充罐的出气端。
进一步的，所述第一吸附塔、第二吸附塔设置为一个或者多个。
进一步的，所述第一吸附塔、第二吸附塔底部根据原料气的需求可加入部分脱水和脱二氧化碳的吸附剂。
进一步的，所述沸石分子筛分离甲烷与氮气的装置还包括真空泵控制阀、排气旁路和旁路排气阀；真空泵控制阀设置在真空泵前端，和第一抽真控制阀、第二抽真控制阀相连；排气旁路从真空泵控制阀和第一抽真控制阀、第二抽真控制阀之间引出，旁路排气阀设置在排气旁路上。设置真空泵控制阀、排气旁路和旁路排气阀；使得在降压解吸步骤也可以不用抽真空，直接打开抽真控制阀和旁路排气阀通过将吸附塔的气体排出，使得吸附塔压力降低，从而进行降压解吸。
使用的装置包括两组吸附机构，并使得两组吸附机构分别处于不同的工作状态，第一组吸附机构进行升压步骤、吸附步骤时，第二组吸附机构进行降压解吸步骤、清洗步骤；然后第一组吸附机构和第二组吸附机构同时分别进入降压均压步骤和升压均压步骤，第一组吸附机构得到降压均压，第二组吸附机构得到升压均压；然后第一组吸附机构进行降压解吸步骤、清洗步骤；第二组吸附机构进行升压步骤、吸附步骤；接着第一组吸附机构和第二组吸附机构同时分别进入升压均压步骤和降压均压步骤，第一组吸附机构得到升压均压，第二组吸附机构得到降压均压；升压均压后的吸附机构进入升压步骤，降压均压的吸附机构进入降压解吸步骤；如此循环工作。
其中第一组吸附机构的工作方式为：原料气由压缩机压缩，经进气缓充罐和第一进气控制阀流入第一吸附塔，即为升压步骤；第一吸附塔内的吸附剂吸附原料气中的强吸附组分氮气后，富甲烷气体作为产品气从第一吸附塔的排气端经第一产品气控制阀流出通过单向阀进入产品气缓冲罐即为吸附步骤；；在吸附剂吸附饱和前结束吸附步骤；吸附步骤结束后关闭第一产品气控制阀，打开第一均压控制阀对第一吸附塔进行均压，即为降压均压步骤；同时打开第二均压控制阀，进行升压均压步骤，直至第一吸附塔和第二吸附塔压力平衡；第一吸附塔经均压降后，第一吸附塔的残留气体即废气由真空泵经第一抽真控制阀从第一吸附塔中抽出，即为降压解吸步骤；降压解吸步骤后进入清洗步骤，打开第一清洗控制阀，产品气从产品气缓冲罐经第一清洗控制阀与第一吸附塔的排气端流入第一吸附塔，通过第一抽真控制阀从第一吸附塔进气端流出，对第一吸附塔进行清洗；清洗步骤结束后，关闭第一抽真控制阀、第一清洗控制阀，然后第一吸附塔进入升压均压步骤，打开第一均压控制阀，同时打开第二均压控制阀，第二吸附塔进入降压均压步骤，直至第一吸附塔和第二吸附塔压力平衡；然后第一吸附塔进入升压步骤，第二吸附塔进入降压解吸步骤；如此循环。
第二组吸附机构的工作方式为：原料气由压缩机压缩，经进气缓充罐和第二进气控制阀流入第二吸附塔，即为升压步骤；然后第二吸附塔内的吸附剂吸附原料气中的强吸附组分氮气后，富甲烷气体作为产品气从第二吸附塔的排气端经第二产品气控制阀流出通过单向阀进入产品气缓冲罐即为吸附步骤；在吸附剂吸附饱和前结束吸附步骤；吸附步骤结束后关闭第二产品气控制阀，打开第二均压控制阀对第二吸附塔进行均压，即为降压均压步骤；同时打开第一均压控制阀，进行升压均压步骤，直至第二吸附塔和第一吸附塔压力平衡；第二吸附塔经均压降后，第二吸附塔的残留气体即废气由真空泵经第二抽真控制阀从第二吸附塔中抽出，即为降压解吸步骤；降压解吸步骤后进入清洗步骤，打开第二清洗控制阀，产品气从产品气缓冲罐经第二清洗控制阀与第二吸附塔的排气端流入第二吸附塔，通过第二抽真控制阀从第二吸附塔进气端流出，对第二吸附塔进行清洗；清洗步骤结束后，关闭第二抽真空控制阀、第二清洗控制阀，然后第二吸附塔进入升压均压步骤，打开第二均压控制阀，同时打开第一均压控制阀，第一吸附塔进入降压均压步骤，直至第二吸附塔和第一吸附塔压力平衡；然后第二吸附塔进入升压步骤，第一吸附塔进入降压解吸步骤；如此循环。
通过采用上述技术方案，本发明具有以下的有益效果：
1、采用新型人工合成沸石分子筛作为吸附剂可以有效控制吸附剂的结晶度和阳离子组成一致，确保吸附剂分离性能稳定。
2、采用吸附氮气的方法对甲烷进行提纯，可以实现甲烷在有压端富集，可有效的节约能源，便于进一步的加压或直接输送与利用。
3、通过变压吸附的方法提纯甲烷，由于第一组吸附机构和第二组吸附机构同时分别进入升压均压步骤和降压均压步骤，一个吸附塔得到升压均压的同时，另一个吸附塔得到降压均压；也使得进入升压均压步骤的吸附塔的产品气可以再次进入吸附步骤。其初投资低，运行成本低，操作灵活方便，被更多地除去其中的氮气，提纯效率高。
4、通过设置真空泵控制阀、排气旁路和旁路排气阀；使得在降压解吸步骤也可以不用抽真空，直接打开抽真控制阀和旁路排气阀通过将吸附塔的气体排出，使得吸附塔压力降低，从而进行降压解吸。
附图说明
图1是本专利的整体示意图。
图2是图1增加了真空泵控制阀、排气旁路和旁路排气阀的示意图。
图中：1-压缩机，2-进气缓充罐，31-第一进气控制阀，32-第二进气控制阀，41-第一抽真控制阀，42-第二抽真控制阀，51-第一吸附塔，52-第二吸附塔，61-第一产品气控制阀，62-第二产品气控制阀，71-第一均压控制阀，72-第二均压控制阀，81-第一清洗控制阀，82-第二清洗控制阀，9-单向阀，10-产品气缓充罐，11-产品气流量调节阀，12-真空泵，13-真空泵控制阀，14-旁路排气阀。
具体实施方式
下面结合附图对本专利进一步解释说明。但本专利的保护范围不限于具体的实施方式。
实施例1
本实施例中原料气为甲烷与氮气的混合气甲烷体积分数为30-80%，余下部分为氮气；本实施方案中装填吸附剂为新型人工合成沸石分子筛；本实施方案中工艺参数为：最高吸附压力200kPa，最低解吸压力10kPa；本实施例中富集后的产品气甲烷体积分数大于95%，回收率超过70%。
如图所示，本专利的一种基于HEU型沸石分子筛分离甲烷与氮气的装置，包括压缩机1、进气缓充罐2、产品气缓充罐10、产品气流量调节阀11、真空泵12、单向阀9、第一组吸附机构、第二组吸附机构；
第一组吸附机构包括第一进气控制阀31、第一抽真控制阀41、第一吸附塔51、第一产品气控制阀61、第一均压控制阀71、第一清洗控制阀81；
第二组吸附机构包括第二进气控制阀32、第二抽真控制阀42、第二吸附塔52、第二产品气控制阀62、第二均压控制阀72、第二清洗控制阀82；
第一吸附塔51、第二吸附塔52各设置一个，底部根据原料气的需求可加入部分脱水和脱二氧化碳的吸附剂。
进气缓充罐2一端与压缩机1连接，另一端通过第一进气控制阀31、第二进气控制阀32分别与第一吸附塔51、第二吸附塔52下端连接，第一吸附塔51、第二吸附塔52的下端分别为第一吸附塔51、第二吸附塔52的进气端；第一吸附塔51、第二吸附塔52的进气端分别通过第一抽真控制阀41、第二抽真控制阀42与真空泵12相连；当第一进气控制阀31为开启状态时，第二进气控制阀32为关闭状态；当第二进气控制阀32为开启状态时，第一进气控制阀31为关闭状态；当第一抽真控制阀41为开启状态时，第二抽真控制阀42为关闭状态；当第二抽真控制阀42为开启状态时，第一抽真控制阀41为关闭状态；
第一均压控制阀71、第二均压控制阀72，一端通过同一管道相互连通，另一端分别与第一吸附塔51、第二吸附塔52的上端连接；第一吸附塔51、第二吸附塔52的上端分别为第一吸附塔51、第二吸附塔52的出气端；当第一均压控制阀71与第二均压控制阀72用时为开启或同为关闭状态；
第一产品气控制阀61、第二产品气控制阀62一端分别与第一吸附塔51、第二吸附塔52出气端连接，另一端均与单向阀9一端连接，单向阀9另一端与产品气缓充罐10连接、产品气缓充罐10还与产品气流量调节阀11相连；当第一产品气控制阀61为开启状态时，第二产品气控制阀62为关闭状态；当第二产品气控制阀62为开启状态时，第一产品气控制阀61为关闭状态；
第一清洗控制阀81、第二清洗控制阀82一端分别与产品气缓冲罐相连，另一端分别与第一吸附塔51、第二吸附塔52的出气端连接；当第一清洗控制阀81为开启状态时，第二清洗控制阀82为关闭状态；当第二清洗控制阀82为开启状态时，第一清洗控制阀81为关闭状态。
使用的装置包括两组吸附机构，并使得两组吸附机构分别处于不同的工作状态，第一组吸附机构进行升压步骤、吸附步骤时，第二组吸附机构进行降压解吸步骤、清洗步骤；然后第一组吸附机构和第二组吸附机构同时分别进入降压均压步骤和升压均压步骤，第一组吸附机构得到降压均压，第二组吸附机构得到升压均压；然后第一组吸附机构进行降压解吸步骤、清洗步骤；第二组吸附机构进行升压步骤、吸附步骤；接着第一组吸附机构和第二组吸附机构同时分别进入升压均压步骤和降压均压步骤，第一组吸附机构得到升压均压，第二组吸附机构得到降压均压；升压均压后的吸附机构进入升压步骤，降压均压的吸附机构进入降压解吸步骤；如此循环工作；
以第一组吸附机构的工作方式为例：原料气由压缩机1压缩，经进气缓充罐2和第一进气控制阀31流入第一吸附塔51，即为升压步骤；第一吸附塔51内的吸附剂吸附原料气中的强吸附组分氮气后，富甲烷气体作为产品气从第一吸附塔51的排气端经第一产品气控制阀61流出通过单向阀9进入产品气缓冲罐即为吸附步骤；；在吸附剂吸附饱和前结束吸附步骤；吸附步骤结束后关闭第一产品气控制阀61，打开第一均压控制阀71对第一吸附塔51进行均压，即为降压均压步骤；同时打开第二均压控制阀72，进行升压均压步骤，直至第一吸附塔51和第二吸附塔52压力平衡；第一吸附塔51经均压降后，第一吸附塔51的残留气体即废气由真空泵12经第一抽真控制阀41从第一吸附塔51中抽出，即为降压解吸步骤；降压解吸步骤后进入清洗步骤，打开第一清洗控制阀81，产品气从产品气缓冲罐10经第一清洗控制阀81与第一吸附塔51的排气端流入第一吸附塔51，通过第一抽真控制阀41从第一吸附塔51进气端流出，对第一吸附塔51进行清洗；清洗步骤结束后，关闭第一抽真控制阀41、第一清洗控制阀81，然后第一吸附塔51进入升压均压步骤，打开第一均压控制阀71，同时打开第二均压控制阀72，第二吸附塔52进入降压均压步骤，直至第一吸附塔51和第二吸附塔52压力平衡；然后第一吸附塔51进入升压步骤，第二吸附塔52进入降压解吸步骤；如此循环。
沸石分子筛分离甲烷与氮气的装置还可以包括真空泵控制阀13、排气旁路和旁路排气阀14；真空泵控制阀13设置在真空泵前端，和第一抽真控制阀41、第二抽真控制阀42相连；排气旁路从真空泵控制阀13和第一抽真控制阀41、第二抽真控制阀42之间引出，旁路排气阀14设置在排气旁路上。设置真空泵控制阀13、排气旁路和旁路排气阀14；使得在降压解吸步骤也可以不用抽真空，直接打开抽真控制阀和旁路排气阀14通过将吸附塔的气体排出，使得吸附塔压力降低，从而进行降压解吸。
本流程的循环时序如表1所示。塔一和塔二分别为第一吸附塔51和第二吸附塔52。
表1 两塔循环时序表
Claims (6)
1.一种基于HEU型沸石分子筛分离甲烷与氮气的装置，其特征是：包括压缩机、进气缓充罐、产品气缓充罐、真空泵、第一组吸附机构、第二组吸附机构；
第一组吸附机构包括第一进气控制阀、第一抽真控制阀、第一吸附塔、第一产品气控制阀、第一均压控制阀、第一清洗控制阀；
第二组吸附机构包括第二进气控制阀、第二抽真控制阀、第二吸附塔、第二产品气控制阀、第二均压控制阀、第二清洗控制阀；
所述进气缓充罐一端与压缩机连接，另一端通过第一进气控制阀、第二进气控制阀分别与第一吸附塔、第二吸附塔下端连接，第一吸附塔、第二吸附塔的下端分别为第一吸附塔、第二吸附塔的进气端；所述第一吸附塔、第二吸附塔的进气端分别通过第一抽真控制阀、第二抽真控制阀与真空泵相连；当第一进气控制阀为开启状态时，第二进气控制阀为关闭状态；当第二进气控制阀为开启状态时，第一进气控制阀为关闭状态；当第一抽真控制阀为开启状态时，第二抽真控制阀为关闭状态；当第二抽真控制阀为开启状态时，第一抽真控制阀为关闭状态；
所述第一均压控制阀、第二均压控制阀，一端通过同一管道相互连通，另一端分别与第一吸附塔、第二吸附塔的上端连接；第一吸附塔、第二吸附塔的上端分别为第一吸附塔、第二吸附塔的出气端；当第一均压控制阀与第二均压控制阀用时为开启或同为关闭状态；
所述第一产品气控制阀、第二产品气控制阀一端分别与第一吸附塔、第二吸附塔出气端连接，另一端均与与产品气缓充罐连接；当第一产品气控制阀为开启状态时，第二产品气控制阀为关闭状态；当第二产品气控制阀为开启状态时，第一产品气控制阀为关闭状态；
所述第一清洗控制阀、第二清洗控制阀一端分别与产品气缓冲罐相连，另一端分别与第一吸附塔、第二吸附塔的出气端连接；当第一清洗控制阀为开启状态时，第二清洗控制阀为关闭状态；当第二清洗控制阀为开启状态时，第一清洗控制阀为关闭状态。
2.根据权利要求1所述的基于HEU型沸石分子筛分离甲烷与氮气的装置，其特征是：所述沸石分子筛分离甲烷与氮气的装置还包括单向阀，单向阀设置在产品气缓充罐和第一产品气控制阀、第二产品气控制阀之间。
3.根据权利要求1所述的基于HEU型沸石分子筛分离甲烷与氮气的装置，其特征是：所述沸石分子筛分离甲烷与氮气的装置还包括产品气流量调节阀，产品气流量调节阀设置在产品气缓充罐的出气端。
4.根据权利要求1所述的基于HEU型沸石分子筛分离甲烷与氮气的装置，其特征是：所述吸附塔至少设置为两个。
5.根据权利要求1所述的基于HEU型沸石分子筛分离甲烷与氮气的装置，其特征是：所述吸附塔底部根据原料气的需求可加入部分脱水和脱二氧化碳的吸附剂。
6.根据权利要求1所述的基于HEU型沸石分子筛分离甲烷与氮气的装置，其特征是：所述沸石分子筛分离甲烷与氮气的装置还包括真空泵控制阀、排气旁路和旁路排气阀；真空泵控制阀设置在真空泵前端，和第一抽真控制阀、第二抽真控制阀相连；排气旁路从真空泵控制阀和第一抽真控制阀、第二抽真控制阀之间引出，旁路排气阀设置在排气旁路上。
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