[发明专利]一种基于HEU型沸石分子筛分离甲烷与氮气的装置

说明书

本发明介绍了一种基于HEU型沸石分子筛分离甲烷与氮气的装置；包括压缩机、进气缓充罐、产品气缓充罐、真空泵、第一组吸附机构、第二组吸附机构；第一组吸附机构包括第一进气控制阀、第一抽真控制阀、第一吸附塔、第一产品气控制阀、第一均压控制阀、第一清洗控制阀；第二组吸附机构包括第二进气控制阀、第二抽真控制阀、第二吸附塔、第二产品气控制阀、第二均压控制阀、第二清洗控制阀。本发明通过变压吸附的方法提纯甲烷，其初投资低，运行成本低，操作灵活方便，提纯效率高，吸附剂分离性能稳定，可有效的节约能源。

技术领域

本发明涉及一种气体分离与净化装置领域技术，特别是一种基于HEU型沸石分子筛分离甲烷与氮气的装置。

背景技术

天然气是一种以甲烷为主的清洁能源，近年来随着经济的发展和人们生活水平的提高，越来越多的人关注环境问题，以天然气为一次能源越来越受到重视，在一次能源中所占比例也越来越高。

天然气主要以管道的形式供给，一般要求天然气热值在31.4MJ以上（甲烷浓度在95%以上）。然而目前常规天然气以及非常规天然气（煤层气、页岩气）等采集过程中往往含有大量的杂质气体，如氮气、二氧化碳、硫化氢等。

变压吸附由于投资小，运行费用低等优势在气体分离领域方面受到广泛的关注。专利CN85103557A描述了一种变压吸附浓缩煤矿瓦斯的技术，以活性炭为吸附剂，在吸附压力为0.5-1.0 MPa的条件下可以将甲烷提浓到95%以上。采用该技术在河南焦作矿务局建成我国第一套处理煤层气气量为1.2 万m3/天的浓缩工业试验装置，成功地将煤层气中的CH4体积分数从30.4％提高到63.9％，增加置换步骤后，可进一步提高到99.4%。然而该变压吸附分离法采用吸附甲烷的方法在，在低压侧获取高浓度的甲烷气体。采用该方法对甲烷进行提纯，会导致产品气压力低，需要额外升压确保进一步的输送与利用，而吸附过程中升压后的能量确白白浪费。对于杂质气体氮气较低的高浓度甲烷原料气，如采用吸附甲烷的方法进行富集则需要吸附剂具有较大的吸附容量。

采用吸附氮气的方法对甲烷浓度较高的含甲烷气体进行富集是一种十分理想的方法，才用该方法可以实现甲烷在高压侧提纯，从而便于进一步的压缩与利用，降低运行费用。然而N2、CH4的动力学半径非常接近分别为3.64、3.82，且沸点也十分接近，均为非极性气体，基于以上原因采用吸附氮气的方法吸附分离氮气和甲烷一直是变压吸附分离过程中的一个难点。

碳分子筛可通过调节孔径控制气体进入孔道的传质速度，从而实现分离。但由于碳分子筛表面极性较低且有较强的疏水性能，对甲烷具更强的吸附性能，导致吸附剂对氮气的选择性大大降低。研究者利用碳分子筛针对 N2/CH4的双组分气体开展了分离研究，指出了 N2 在吸附剂上的吸附速率远大于 CH4，然而吸附剂的平衡吸附量却是 CH4 大N2，从而影响了CH4 /N2混合气体的分离能力。从研究结果来看，其平衡分离性能表现出的甲烷平衡分离能力大大高于动力学分离能力，直接影响其对氮气和甲烷二元组分的分离性能。

HEU型沸石分子筛是一直十分适合于甲烷氮气的吸附剂，通过孔道尺寸的调节可将沸石分子筛调整为氮气平衡选择型和氮气动力学选择型的吸附剂。目前斜发沸石在变压吸附分离甲烷氮气方面的研究主要基于天然沸石和碳分子筛。本发明通过采用HEU型沸石分子筛对含有少量杂质气体氮气的富甲烷气体进行吸附提纯。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种基于HEU型沸石分子筛分离甲烷与氮气的装置，操作灵活方便，性能稳定，通过变压吸附的方法实现甲烷氮气二元组分的分离，吸附塔内装填的吸附剂为新型人工斜发沸石，新型人工合成沸石分子筛中阳离子为Li、Na、K、Mg、Sr、Ce中的一种或多种阳离子的组合，对氮气具有选择性吸附特性，能优先吸附氮气，可以将甲烷浓度为20-80%的含氮天然气富集到95%以上，且回收率超过70%。

为了实现解决上述技术问题的目的，本发明采用了如下技术方案：