变压吸附法脱除二氧化碳的研究

【摘要】： 变压吸附（PSA）法脱除二氧化碳由于工艺过程简单、操作简便、能耗低且无腐蚀和污染，已经初步实现工业化，但一直存在吸附剂选择性和产品气回收率不高的问题。因此变压吸附法脱碳的关键在于高效脱碳吸附剂的开发和选择，以及合理的工艺流程的设计，以实现脱碳过程的高选择性和产品气的高回收率。 本文以从含氮混合气中采用变压吸附法脱除CO_2为目标，以合成氨工业合成气脱碳为应用背景，在对国产的三种常用脱碳吸附剂（活性炭和硅胶类）进行静态和动态法二氧化碳吸附性能测定的基础上，选择出CO_2吸附量大和吸附选择性高的吸附剂，并对变压步骤进行实验研究和模型计算，最终利用本文的研究基础进行脱碳过程工业设计。 测定了N2、CO_2纯组分在三种吸附剂上的吸附等温线，并用Langmuir吸附等温模型方程进行关联。在单柱上用动态法测定了CO_2分别在H2和N2稀释条件下在三种吸附剂上的吸附平衡数据，综合比较了三种吸附剂对CO_2动态吸附性能，并研究了吸附剂AC和SG1对CO_2/N2二元混合体系中CO_2的吸附选择性。对两种硅胶型吸附剂动态吸附二氧化碳性能的差异进行分析，比较两种吸附剂内部结构的不同，讨论了吸附剂内部结构对其吸附性能的影响。 由于产品气的回收率和变压步骤有很大关系，因此在吸附剂AC和SG1上对含二氧化碳混合气进行了顺向放压步骤和逆向放压步骤的实验测定，研究不同床层利用率下二氧化碳单组分和含氮混合气在顺放及逆放过程中出口气二氧化碳浓度和压力的关系，比较和讨论了两种混合气体系中两种吸附剂顺放过程顺放气浓度变化特性，结果为含二氧化碳混合气体吸附分离循环过程的设计提供了重要的数据。 在实验测定的基础上，建立了合适的等温吸附动态模型，采用线性推动力的传质模型，对二氧化碳单组分及二氧化碳/氮气体系的吸附过程和变压步骤（顺向降压）进行计算，模型计算值与实验数据具有较好的一致性，并且通过模型计算研究了床层内部在吸附和顺放过程中的气相主体的浓度分布，从而为吸附循环过程产品气回收率的提高提供了过程设计的工具。 根据模型计算和实验数据数据及技术指标要求，对甲醇蒸汽转化裂解气变压 WP=7 吸附脱碳流程进行了初步的设计，选择合适的脱碳吸附剂，并确定合理的变压吸附操作流程，计算出吸附塔的尺寸及吸附剂装填量等基本参数。工厂装置运行结果表明，采用该流程进行二氧化碳的脱除和氢气的提纯，氢气的纯度大于99.99%，回收率大于92%，与国内同类装置相比，氢气回收率提高10个百分点以上，具有显著的经济效益。