混合气体的吸附特征.pdf

第2 1 卷第a 期天然气工业 浪吕气恤晌吸咐特征 辜敏 陈昌国鲜学福 汕头大学 重庆大学 辛敏等 混合气体的吸附特征 天然气工业 2 0 0 1 2 1 4 9 1 9 4 摘要我国 煤层气资源十分丰富 但其利用率极低 这主要是因为抽放煤层气中的有效成分甲烷浓度低 因此对煤层气中甲 烷的 分离 提纯极为重要 混合气中 各组分在共同吸附时具有竞争性 这在变压吸附过程中直接 影响到混合气中各组分的吸附和解吸 文章通过模拟煤层气 C H N 12 的吸附过程 从理论上分析了 混合气体吸附 过租中各组分在游离 相和吸附相的浓度变化特征及其对变压吸附分离的影响 最后讨论了 抽放炸层气中 其他组 分对所要提纯组分C H 的影响 令 i g裸奋气位性成气成分气休吸附吸附分离 两组分混合气体的吸附与 组分性质和浓度的关系 单组分气体在吸附剂上的吸附取决于吸附气体 本身的物理化学性质 混合气体的吸附不仅与各组 分的性质有关 而且还与各组分在混合气中的组成 有关 其中的某一组分的吸附除其本身的物理化学 性质 单独吸附行为 是非常重要的因素之外 还直 接受其它组分的性质及组成的影响 这是因为各组 分在共同吸附时相互竞争和相互干扰 本文从理论 上及文献实验结果分析这一影响 固定两组分混合气中的某一组分 设为组分 1 本文固定组分1 为C 比 目 标组分 另一组分的吸 附性只可能出现三种情况 吸咐性强于组分 1 吸附 性弱于组分 1 吸附性与组分 1 接近 1 组分在游离相中的浓度 Y 与其在吸附相中 浓度 x 的关系 对于符合L a n g m u i r 方程的混合气体系 设目 标 组分1 在游离相中的浓度为Y 1 吸附相浓度为r 1 那么在同一压力下 对于两组分混合体系下述方程 成立 U 1 1 k 1 2 十 1 1一 R1 2 1 Y1 1 式中 2 3 k 2 Y 1 Y 2 1 b 2 g m2 b l g m1 s 1 r 2 1 式 1 表明 组分在游离相中的浓度与在吸附相中的 闷 卜 卜 阅 卜 卜 卜 月 卜 叫 卜 阅 卜 曰 闷 阅 卜 碑 月 卜 中心 心 州 卜 劝 曰 闷 卜 卜 州 卜 心 心 中巾 由 叫 卜 今 司 卜 回 网 曰 卜 中 月 卜 阅 卜 定 4 利用三维气气混合模型来模拟并控制垫层3 气 指用 惰性气体做垫层气 与资用天然 气的 混合 4 考文麟 1 苏振东等 喇嘛甸油田储气库注采系统的工艺改造 油气 田地面工程 1 9 9 9 1 8 5 2 华爱刚等 天然气地下储气库 北京 石油工业出版社 1 9 9 9 王大纯等 水文地质学基础 北京 地质出版社 1 9 8 6 N s g a o r t 1 荷兰 气截工程原理 北京 石油工业出版杜 1 9 9 2 罗富绪 国外地下储气库建设工艺 油气储运 1 9 9 9 1 8 7 谭羽飞等 国外天然气地下储气库的数值模拟研究 天然 气S业 1 9 9 8 1 8 6 9 3 9 4 的箱日期2 0 0 0 一1 2 一 2 6 编辑申红劝 本文系春晖计划和专项基金一1 2 项目资助 资斧 辜敏 女 工学博士 1 9 6 9 年生 主要从事分析化学和电化学工作 地址 3 6 1 0 0 5 福建省厦门大学化学系 电话 0 5 9 2 2 1 8 1 4 3 6 0 万方数据 天然气工业2 0 0 1 年7 月 浓度存在定量关系 其关系取决于常数 k 1 2 参见图 1 k 2 是衡量两组分竞争性的一个量度 k 1 2 x1 表 明两组分吸附性相同 X Y曲线位于对角线附近 对 于这种情况 混合气的吸附相当于单纯气体的吸 Y 相同 而二 1 2 T l l 而在吸附相中 弱组分的存 在比强组分更能降低目标组分的吸附量 J 相同 而Y l l 1 表明目标组分在混合气体中为弱吸附组 分 r y曲线位于对角线下方 反之 目标组分为 强吸附组分 X Y曲线位于对角线上方 k 1 2 值偏 离1 越大 X Y曲线偏离对角线越远 两组分的吸 附 性相差越远 吸附分离就越容易 对于k 1 2 1 的 两组分混合体系是不可分的 文献 2 首次以实验 得到了 煤上各种混合气体中C H 的y 与x的关系 图 图1 与文献 2 的实验结果非常一致 图1 类似于蒸馏中的X Y相图 X Y图在 描述 双组分混合气吸 附得到较 普遍的使用 3 虽然 二 一Y 仅代表了 数据的一半 但只要给出了作为函数 2的吸附总量 数据就是完整的 2 两组分混合体系的吸附与组分性质和浓度 的关系 显而易见 纯组分的吸附量大于它在混合体系 中吸附量 在混合体系中 组分在气相中的含最越 高 其吸附量就越小 即其它组分不管在吸附相还是 游离相中的存在都会降低纯组分的吸附量 其它组 分降低某一组分的吸附量因其吸附性质的不同影响 程度是不同的 而且影响作用也不同 当其它组分 在混合体系中为强吸附组分时 它在气相中的影响 作用强于其在吸附相中的影响作用 反之亦然 如 图 1 所示 曲线 1 中 其它组分为弱吸附组分 曲线2 中 其它组分为强吸附组分 从图中可知 气相中的 强吸附组分 比弱组分更能降低 目标组分的吸附量 9 2 吸附 解吸过程组分浓度的 变化特征 混合气体在吸附过程中 某一组分在游离相和 吸附相中浓度 y和x 不仅是压力 温度的函数 而 且还是吸附量的函数 组分受其它组分性质的影 响 其变化特征存在明显差异 这是由组分在共同吸 附竞争性所决定的 等温条件下 混合气中的强吸 附组分 随着压力的增大 因其吸附性强 k 2 1 它在游离相中的浓度y不断减小 直到达到稳定 平 台区 见图3 a 混合气中的弱组分的变化情况则 相反 图3 6 由此可知 压力增大的吸附过程是在 气相中浓缩弱吸附组分的过程 压力减小的解吸过 程是在气相中浓缩强吸附组分的过程 变压吸附分 离混合气的原理就在于此 x的变化可由式 i 决 定 其变化规律与y 类似 等温条件下组分游离相的浓度的变化特征很大 程度上取决于其吸附量的变化 3 q 3 p 特征 而不 是吸附量的绝对值 9 0例如对于属于第工 类吸附 的气体 游离相中浓度变化集中在低压区 y的变化 是由吸附量的变化引起的 与a g r a p曲线相对应的 见图a 而在高压区 对吸附为第 I类吸附的气体 虽然其吸附量很大 但几乎不随p而变化 此时组分 在游离相的浓度或在吸附相的浓度是不会变的 温度变化时 由于不同体系的吸附常数 如 L a n g m u i r 议程中的4 b值 是温度的函数 而且不 同物质在同一吸附剂上的吸附常数随温度的变化各 万方数据 第 2 1 卷 第 a 期天 然 气 工业目 I0时 为 节2 0 为 4 1 日 为 2 7 为 1 2 4 月 n 5 x 0 儿 5 3 J 为一2 o s4 x 时04 3 v 6F 强吸附组分 复 1o 4 5 6 0 2 3 4 6 U3 v O A P b 弱吸附姐分 不同 始浓度混合气中弓 润吸附组分 变化随压力的变化舰律 Y o c m的原始浓度 教拓取 于C H C O 棍合气 在 煤上的 吸附 2 A 1 6 Z 沁 O L023x4 4 J 5 P MP a 圈a 组分在浪合气中浓度 刃的变化及其旅因 致 据取于C H c 0 混合 气在煤上 的吸附 不相同 因此温度改变 混合气中组分的吸附竞争性 也会发生变化 在相同压力下 组分游离相和吸附相 的浓度也就有所改变 其变化特征取决于组分q m b 值随温度变化的相对大小 混合气体的吸附过程对 吸附分离的影晌 混合气的吸附分离与其吸附过程中组分在气相 和吸附相的的浓度变化息息相关 由前面的分析可 知 在等温条件下 要使组分之间分离 或富集其中 某一组分 组分之间的吸附A之差必须大 亦即 k 一 1 要大 而且必须随压力变化而变化才行 也就是说 在分离过程中 推动力必须存在 3 A g ij a y o 压力变化到吸附量的平台区后 组分浓度 的变化与压力几乎无关 而且压力达吸附量的平台 区以后 虽然吸附体系中气体的吸附量几乎不再增 加 但在空隙空间被压缩的气体量会随压力的增大 而增大 因此 从静态分析看 在变压吸附分离中 盲目增高吸附压力是不可取的 一方面增加能耗 另 一方面 空隙空间中存在的气体对组分之间的分离 只有害而无益 5 在吸附过程中 沮度的变化也影响着组分在气 相和吸附相中的浓度 对于抽放煤层气中C H 4 的提纯 因产品气是强 吸附组分 故应尽可能除去原料气中或吸附荆上存 在的杂质 因为它们的存在会影响C H 4 的吸附 要特 别清除游离相中的强吸附组分以及特别清除吸附剂 上的弱组分 方法是在煤层混合气进人吸附器之 前 另加预处理床 或采用吸收方法将强组分杂质如 践O C q 等除去 以消除低压解吸时对C 线 浓度的 影响 在进人吸附步骤前 应采取措施 如抽真空使 吸附床脱附干净等 以特别消除弱吸附组分杂质 如 N 2 的影响 结论 1 在吸附过程中 组分在游离相中的浓度 y 与 其在吸附相中的浓度 x 的定量关系是由吸附竞争 性 k 1 2 值 所确定的 2 混合气的吸附分离与y和二的变化密切相 关 考文欲 叶振华 吸附分离过程 北京 化学工业出版社 1 9 8 8 艾鲁尼 A T 煤矿瓦斯动力学现象的预侧和孩防 北京 煤破工业出版社 1 9 9 2 G m n t R J a n d M a n e s M A d s o r p t io n o f B i n a ry H y d ro c a r b o n G a s Mi x t u r e o n A c t i v a t e d C a r b o n 2 1 4 9 4 9 7 摘要中国四 川省的夭然气管网已 运行3 0 年 管线老化 腐蚀严i t 近几年爆管事故须繁 严重影响管道安 全和正常抢气 迫切铸要了 解和提离管道系统的运行可靠性 减少事故 延长管道系统的使用寿命 文章论述了 天然气管道运行可S性评价技术理论内 容和计算方法 给出了 天然气管遭系统中线路部分 压气站和整个系统可 命性指标的计算公式 分析了 天然气管道的失效模式 和寿命分布模型 提出了 保证管道系统可东性的 指施 幸 目天然气管滋运行可盒性评价故津分析 天然气管道运行可靠性 评价技术的内容 天然气管道是一个复杂的系统 在对其进行可 靠性分析之前首先要把它划分成若干个子系统 划 分的原则是保证对管道系统可靠性分析的完整性 各国所用的方法及评价深度大不一样 有的是对管 道线路部分或压气站单体组件 如管子 阀门 仪表 及动力设备 进行分析及预侧 比较深人的是对整个 管道系统的可靠性进行分析 结合我国管道的实际 情况可以将一条管线划分为线路部分 压气站和系 统三个部分进行可靠性分析与计算 1 天然气 道可 性研究的主要任务 管道可靠性研究的主要任务是分析管线和压气 站设备的故库模式及原因 计算单元或系统的可靠 性 研究单元或系统故障对管路输送的影响 找出系 统的薄弱环节 提出改普和提高系统可靠性的具体 而有效的措施 根据可靠性分析的结果确定最优的 设备备用系数 维修能力 物质计划和必要的天然气 事故储备量 2 天鹅气 道可命性研究的方法 在各种可靠性分析和计算中 建立泵站设备 管 段干线系统的可靠性模型的方法主要有三种 涉 及到断裂力学和材料力学基础理论的分析研究法 利用一般的事故数据的可靠性综合法 全尺寸 的模型试验和对类似实物的历史事故数据的统计分 析法 目前 只利用3 个方法中的后两个对管线的 可靠性作出评价 3 管遭可命性计算和分析步 定义事故 确定可靠性研究范围 收集管道 运行的资料 建立运行事故数据库 选择事故概 率模型 可靠性参数估计及其特性研究的统计计 算 原假设与观侧值的符合性检验 建立系统可 靠性模型 计算系统的可靠性参量 当系统可靠 度降低到允许数值以下时 提出适当的维修策略以 恢复其可靠度 保证运行的安全可靠性 4 天然气 道可命性研究的特点 1 已发生事故或故障的统计分析和现用设备及 其使用条件的参数是可靠性分析和计算的依据 而 参数估计值的精度主要取决于样本数据的均匀性和 月 卜 闷 卜 闷 卜 月 卜 中 卜 月 中月 中 叫 卜 目 卜中 侧 卜 阅 卜 阅 阅 卜 叼 卜 心 母 目 书每 曰 卜 卜 卜 1 9 6 6 5 4 4 9 1 4 Wi l s o n R T a n d D a n n e r R P J C h e m E n g D a m 1 9 8 3 2 8 1 4 心 曰卜 闷 卜心 司 卜 曰 月 卜 卜 闭 卜 州 口 月 卜 卜 闷 卜 洲 闷 卜 曰 卜日 卜 心 司 睁 A d s o r p t io n A P o r e D i f f u s i o n M o d e l f o r B u l k S e p a r a t io n A I C I I E 1 1 9 8 5