[发明专利]一种模拟移动床吸附分离甲烷氮气制备高纯度甲烷的方法

说明书

本发明涉及清洁能源领域中低品质甲烷开发利用，是一种模拟移动床吸附分离甲烷氮气制备高纯度甲烷的方法。模拟移动床体系由多个吸附剂填充塔互相连接构成，设有五个气体输入输出口，将连接的多塔分割成四个区。操作时，填充塔内的吸附剂不流动，通过五个气体进出口在设定时间间隔切换移动一个填充塔，多次频繁切换移动，使塔内吸附剂与气相形成逆流流动，提高甲烷氮气分离效率；且每个填充塔依次进行低浓度甲烷吸附、甲烷置换氮气提浓塔内甲烷、二氧化碳置换塔内甲烷以及二氧化碳真空解吸操作，将连续从低浓度甲烷原料气吸附浓缩得到高纯度甲烷产品气。本发明成本低，适用于低品质甲烷浓缩，能够获得90％纯度和90％回收率的高品质甲烷产品气。

技术领域

本发明涉及清洁能源领域中低品质甲烷利用的技术领域，具体地说，是一种模拟移动床吸附分离甲烷氮气制备高纯度甲烷的方法。

背景技术

能源与环境问题是与当今可持续发展密切相关的两大基本问题。进入21世纪后，经济对能源的过度依赖导致环境问题突出，我国经济的高速增长对能源消费需求强劲，然而当前以煤与石油为主导的能源消费格局，使得我国脆弱的自然环境不堪重负，环境污染已经威胁到人的生存。甲烷是一种优质燃料，在自然界中储量大、热值高，且具有最高的氢/碳比，在能源体系中占有重要地位，是比煤和石油更加清洁的能源。因此，从油田气、煤层气、页岩气、生物沼气、垃圾掩埋气以及其它来源的低品质甲烷气资源中分离浓缩甲烷对改善能源结构和保护大气环境，具有重要的现实意义和战略意义。

低品质甲烷气资源中除了含有一定量CH₄外还含有大量的CO₂和N₂及少量氧气。CO₂和CH₄分子物理性质差别大，二者易于分离；CH₄和N₂因两者动力学直径相近，且物理性质也相似，成为最难分离的体系。吸附分离技术具有的各种优势使得该工艺成为工业上普遍运用的重要的气体分离手段。变压吸附技术浓缩CH₄的研究很多。从20世纪80年代，许多研究者采用变压吸附技术浓缩CH₄，利用活性炭、碳分子筛(或天然沸石)吸附CH₄，分离N₂和O₂，可将CH₄的体积分数从20％～40％提高到50％～90％。如UOP公司在1992年推出的五床变压吸附净化含氮天然气专利，在小试装置上把含氮30％的天然气提纯到含CH4 96.4％。Nitrotec公司的专利也利用三塔变压吸附流程，在工业装置上把含氮30％的天然气提纯到CH₄含量为92％。国内西南化工研究设计院1983年推出变压吸附提纯煤层气工业装置，可将瓦斯气中CH₄的质量分数从20％～40％浓缩至50％～90％。但是，由于CH₄与N₂难于分离，规模化浓缩低浓度甲烷的成本和能耗偏高，甲烷回收率较低，至今没有工业化推广应用。

模拟移动床是一种新型的连续大规模分离技术。应用范围遍及石油、精细化工、生物发酵、医药、食品等很多生产领域。随着应用领域不断扩大，对技术的要求不断提高，该技术的研究与开发也正在逐步受到国内外科学家的重视。模拟移动床装置由若干个填充吸附剂的塔及输送设备组成。填充塔的数量通常为6～12个，可达24个或者更多。输送设备的数量通常为4个或者更多，分别用于进料液和洗脱液输送及液体内部循环。依据进料液输入口、洗脱液输入口、提取液出口和提余液出口这四股物料进出口可划分模拟移动床系统为四个区域，如图1所示。与传统的移动床不同，模拟移动床的每个填充床内吸附剂不流动，通过四股进出物料口的位置在设定的时间间隔时沿着填充塔内流体流动方向同时移动一个填充塔的位置，依次频繁切换移动，填充塔中吸附剂相对于进出物料口位置移动，从而实现固液逆流过程，提高模拟移动床分离效率。

模拟移动床吸附分离技术是一种近代分离方法，目前国内外关于模拟移动床技术在液相混合物分离领域研究很多，积累较多经验，但是对于气相混合物的模拟移动床吸附分离过程基础理论研究几乎空白。针对气相模拟移动床技术吸附分离甲烷和氮气，经公开文献检索未有发现国内外类似的研究报道。