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新型四塔变压吸附提纯氢气过程研究

吕昌忠  
【摘要】: 本文系统论述了变压吸附制氢工艺的发展及研究现状,针对常用四塔变压吸附制氢在低压应用中的不足,着重研究了本实验室自行开发设计的新型四塔变压吸附工艺在低压下的应用,并对两种不同的四塔变压吸附工艺的性能进行了对比。 首先采用静态容积法分别测定了甲烷、氮气和氢气在普通活性炭、高比表面活性炭以及5A分子筛上的吸附等温线,温度范围为283K~313K(间隔15K),压力0~1.0Mpa,并利用Clausius-Claperyron方程获得了各气体组份在不同吸附剂上的等量吸附热。使用修正的Langmuir方程对吸附等温线进行关联,计算出Langmuir方程参数。 建立了一套吸附床动态吸附实验装置,并在此基础上进行了不同的吸附压力和流量下活性炭和5A分子筛双吸附剂层吸附床的动态穿透实验。从吸附床的穿透曲线上可以获得相应实验条件下原料气中氮气和甲烷组分在吸附床上的穿透时间。实验结果表明随着吸附压力的增加氮气和甲烷在吸附床上的穿透时间延长,由于吸附热效应的影响使得吸附床内的温升幅度随之加大;增大原料气流量会缩短吸附床的穿透时间,而且导致氮气和甲烷在吸附床中浓度波峰面的分离效果不明显。由于SAC的堆密度较OAC小,因此使得在相同实验条件下,两种吸附床的对原料中氮气和甲烷的吸附能力基本相等。 利用H2/N2/CH4混合气模拟炼厂干气,采用新型四塔变压吸附工艺进行氢气的分离提纯。此工艺中采用两个中间气体缓冲罐辅助完成吸附塔的降压和升压步骤。中间气体缓冲罐的加入提高了四塔变压吸附工艺的操作灵活性。 低压下新型四塔变压吸附工艺实验研究发现新工艺它能够在较好的回收率下获得99.99%的产品氢气,表明新型四塔变压吸附工艺具有很好的低压性能。使用SAC+ZMS组合吸附剂的新型四塔变压吸附制氢工艺在1.0和0.8 MPa吸附压力下工艺性能较OAC+ZMS组合吸附剂差;但在0.6和0.4 MPa操作压力下保持氢气纯度为99.99%时产品气的回收率要大于使用OAC+ZMS组合吸附剂时的回收率。两塔变压吸附实验表明增大中间气体缓冲罐的体积可以提高产品的纯度和回收率。 通过对吸附床动态吸附过程的数学描述,建立吸附床中质量、热量和动量平衡的偏微分方程组。基于线上数值法对空间变量进行离散,并利用DASSL数值计算软件对离散后的常微分方程组进行求解,解法简捷、稳定。通过对吸附床的穿透曲线的实验结果和模拟结果进行对比,获得了原料气中的气体组份在OAC、SAC和ZMS吸附剂上的LDF方程参数。 结合新型四塔变压吸附工艺过程的特点,建立新型四塔变压吸附过程的数学模型,对 WP=4 新型四塔工艺性能进行模拟。模拟计算表明,在30个循环以后变压吸附循环过程的产品纯度和回收率以及吸附床中的温度变化都已经达到稳定状态。模拟计算结果和实验结果较为接近。新型四塔变压吸附工艺和常用四塔工艺的模拟计算结果表明,常用四塔变压吸附工艺在相同的原料气处理量下具有较高的产品气回收率,但产品气的纯度则要低于新型四塔工艺。在1.0 MPa下,产品气的纯度为99.999%时,新型四塔变压吸附工艺的原料气处理能力为常用四塔变压吸附工艺的1.43倍。表明新型四塔变压吸附工艺在低压下的处理能力较强,具有很好的低压适应性。


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