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煤层甲烷变压吸附浓缩的研究

杨明莉  
【摘要】:本文分别以典型的低反应性松藻无烟煤和高反应性云南先锋褐煤为原料,以碱活化一步法工艺制备了煤基活性炭,并对其结构性能进行了表征。发现松藻无烟煤经炭化和碱活化,BET表面积和极限容积均递增;最可几孔径变小,但无烟煤与其炭化样的的最可几孔径相同,与无烟煤反应活性小、挥发分份少、活化温度下活化剂产生的钾蒸汽挤进煤石墨片层之间,增加微孔数量的活化机理相吻合。 提出了建立在园柱形孔基本假设下的杂合芦笙模型,可用于描述活性炭之类的非均匀多孔固体的孔结构;在此基础上,借助于低温氮吸附法,结合分形理论发现873K下常规方法制备的无烟煤基活性炭存在双重表面分维。 用正二十四烷对活性炭进行了表面亲烃改性,减少了其表面的酸性基团量,提高了活性炭表面对甲烷的亲合性,在更宽的压力范围内提高了活性炭对模拟煤层气的分离性能。籍此制备了表面亲烃改性活性炭分离柱,用于对模拟煤层气进行PSA浓缩分离。结果表明,经两次循环,可将含甲烷约60%的模拟煤层气变为近91%的甲烷浓缩气体。 提出将不规则多孔固体表面的不均匀性及其所导致的表面各部位能量的非均衡分布看作表面等能量活性吸附位点的不均匀性分布的观点;将吸附质浓度(或压力)作为探测孔径的一种“探针”,当它由小到大时,会优先占据孔径由小到大的孔中的等能量吸附位点,为此提出了修正的Langmuir等温吸附模型: 并运用该模型描述了活性炭AC-L改性前后对CO2、N2和CH4的平衡吸附行为。 设计研制了一套带预处理柱的双柱自控PSA实验装置,克服了原有单柱PSA实验装置气密性不佳、自动化程度低、工作压力偏低和现有工业装置在配气、操作压力、取样等实验研究性能上的不足;更便于在更大的压力范围内对煤层甲烷的PSA浓缩净化过程及其它气体分离过程进行研究。 在所研制的实验装置上,进行了不同的吸附压力和流量下模拟煤层气在改性活性炭吸附柱中的动态穿透实验,获得了吸附柱穿透曲线。依据吸附柱中改性活性炭对甲烷吸附的S型等温线规律和穿透过程中柱内上、中、下温度波动范围在1℃内的事实,具建立了理想气体、轴向扩散活塞流和线性驱动力的前提下的非线性柱动力学穿透模型;用Microsoft Visual Foxpro 6.0软件对模型进行了数值分析。模拟结果符合实验结果。


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