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《西安科技大学》 2010年
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瓦斯组分吸附浓缩的实验与模拟研究

王水利  
【摘要】: 本文以矿井低浓度抽放瓦斯为主要研究对象,采用实验与计算机模拟相结合的方法,探讨通过组合吸附剂的多级变压吸附技术实现低浓度瓦斯分离浓缩的可能性。论文选择活性炭纤维分子筛和MCM-41分子筛两种不同性质的吸附剂作为组合吸附剂,通过材料制备、实验室瓦斯组分吸附试验以及以此为基础的计算机模拟研究,全面探讨了两种吸附剂对包括?CH4、N2、O2?和?CO2?在内的瓦斯主要组分的吸附分离特性,并通过对由两种吸附材料构成的二级三段变压吸附过程进行分段定压模拟,阐明了利用多级变压吸附技术实现低浓度瓦斯增浓的技术关键和存在问题。 两种吸附材料的制备分别选择价格相对低廉的沥青基炭纤维和工业水玻璃,两种吸附材料的孔径、BET?比表面积和孔容分别为? 0.9nm~0.98nm?和? 3.60nm~3.68nm、?1545m2?/?g和1207m2??/g以及0.359cm3?/?g?和1.03cm3?/?g。 瓦斯组分吸附试验于常温、常压~1500kPa?下在自制的吸附装置上进行,吸附组分为CH4、N2?和CO2,分别进行了单组分和双组分吸附试验。瓦斯组分吸附的分子模拟研究在Material?Studio?软件平台进行,采用巨正则蒙特卡罗法,孔结构模型选用楔状狭缝孔模型(碳纤维分子筛)和圆柱孔模型(MCM-41),吸附组分为CH4、N2、O2?和?CO2,分别进行了常温、常压~5000kPa下的单组分、双组份、三组分和四组分吸附模拟研究。实验和模拟结果均表明,瓦斯组分在两种吸附材料上的吸附量均以CO2?为最大,CH4?次之,N2(或N2?和O2)最小,而且碳纤维分子筛对各组分的吸附量明显高于MCM-41;?CO2/N2、C?O2/O2?和CH4/CO2?在两种吸附材料上都具有较好的分离特性,C?H4/N2?和CH4/O2?分别只在碳纤维分子筛和MCM-41上具有一定的分离特性,而O2/N2?在两种吸附材料上均不能被有效分离;无论是三组分还是四组分,只要气体中含有CO2,就会不同程度地影响到CH4?的纯度和收率。 组合吸附材料的二级三段变压吸附以Petluyk?PSA流程为基础,采用等压GCMC模拟法,分别对CH4/N2/CO2?和CH4/N2/O2?两种三组分气体进行了变压吸附过程模拟,模拟温度和压力分别为常温、1?00kPa(?预分离段)和2000kPa。结果表明,无论是CH4/N2/CO2?还是CH4/N2/O2,强吸附组分都可在高压一段得到不同程度富集;CH4/N2/CO2?中的CH4则在侧流中得到富集,出口气体中几乎不含?CH4;CH4/N2/O2?中的?N2?和?O2?都只在出口气体中富集,侧流成分无明显变化。对于CH4/N2/CO2,较高的CO2?含量有助于提高CH4?纯度和收率;O2/N2?比值对CH4/N2/O2?中的? CH4?浓缩并无明显影响。
【学位授予单位】:西安科技大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2010
【分类号】:TD712.6

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