一种甲烷与氮气混合物分离系统和分离工艺的制作方法

1.本发明属于气体分离技术领域，具体的说，是涉及一种甲烷与氮气混合物的分离系统和分离工艺。


背景技术：

2.甲烷作为一种高效的清洁能源，可以用作燃料以及生产氢气、炭黑等物质的化工原料，主要存在于煤层气、天然气、油田气中。同时甲烷也是一种温室效应气体，同体积的甲烷引起的温室效应是二氧化碳的21倍，对臭氧的破坏能力是二氧化碳的7倍。因此在缺乏清洁高效能源的国际大背景下，对低浓度煤层气等资源中的甲烷进行富集并高效利用，具有经济、环境双重效益。
3.煤层气等资源经过脱硫、脱氧等预处理后，成分以甲烷和氮气为主，所以预净化后煤层气的分离主要是甲烷与氮气之间的分离。目前分离甲烷/氮气的技术主要有低温深冷分离、变压吸附和膜分离等。低温深冷分离技术基础投资大，运行费用较高，在分离规模较大时(百万立方米/天)比较经济；膜分离对制膜技术依赖性强，膜本身可能存在易淤塞、易损坏、使用寿命短等问题，该技术仍处于开发阶段；变压吸附分离技术设备简单，可以单级运行，在室温和低压下均可操作，无需外加热或制冷源，装置操作弹性大，自动化程度高，成本和能耗费用较低，该技术在甲烷/氮气分离领域具有较明显的优势。
4.传统的变压吸附工艺分为分离型变压吸附和富集型变压吸附，分离型变压吸附和富集型变压吸附均会受到热力学制约，前者只能得到高纯度的轻组分产品气，后者只能得到高纯度的重组分产品气。


技术实现要素：

5.针对现有的煤层气、油田气等资源成分复杂，甲烷/氮气性质相近难以分离的技术难题，本发明公开了一种甲烷与氮气混合物分离系统和分离工艺，既可以对低浓度煤层气中的甲烷进行富集提浓，同时还能分离得到高纯度的氮气产品气。
6.为了解决上述技术问题，本发明通过以下的技术方案予以实现：
7.根据本发明的一个方面，提供了一种甲烷与氮气混合物分离系统，包括第一压缩机、第一吸附塔、第二吸附塔、第二压缩机、甲烷产品气储罐、氮气产品气储罐；所述第一吸附塔和所述第二吸附塔内均装填有活性炭分离材料；
8.所述第一压缩机的入口与进料口相连，所述第一压缩机的出口分别通过第一阀门与所述第一吸附塔的中部进料口相连、第二阀门与所述第二吸附塔的中部进料口相连；
9.所述第一吸附塔的塔顶出料口通过第三阀门与氮气产品气储罐的入口相连，所述氮气产品气储罐的出口通过第四阀门与所述第一吸附塔的塔顶回流口相连；
10.所述第一吸附塔的塔底出料口通过第五阀门与所述甲烷产品气储罐的入口相连，所述甲烷产品气储罐的出口通过第六阀门与所述第二压缩机的入口相连，所述第二压缩机的出口通过第七阀门与所述第一吸附塔的塔底回流口相连；
11.所述第二吸附塔的塔顶出料口通过第八阀门与所述氮气产品气储罐的入口相连，所述氮气产品气储罐的出口通过第九阀门与所述第二吸附塔的塔顶回流口相连；
12.所述第二吸附塔的塔底出料口通过第十阀门与所述甲烷产品气储罐的入口相连，所述甲烷产品气储罐的出口通过第六阀门与所述第二压缩机的入口相连，所述第二压缩机的出口通过第十一阀门与所述第二吸附塔的塔底回流口相连；
13.所述氮气产品气储罐通过第十二阀门与氮气产品气出料口相连；
14.所述甲烷产品气储罐通过第十三阀门与甲烷产品气出料口相连。
15.进一步地，所述第一吸附塔和所述第二吸附塔内活性炭分离材料等重量。
16.进一步地，所述活性炭分离材料的比表面积为850-950m2/g。
17.进一步地，所述活性炭分离材料的孔容为0.45-0.55cm3/g。
18.进一步地，所述活性炭分离材料的平均孔径为2.2-2.3nm。
19.进一步地，还包括真空泵；所述第一吸附塔的塔底出料口通过所述第五阀门与所述真空泵的入口相连，所述真空泵的出口与所述甲烷产品气储罐的入口相连；所述第二吸附塔的塔底出料口通过所述第十阀门与所述真空泵的入口相连，所述真空泵的出口与所述甲烷产品气储罐的入口相连。
20.根据本发明的另一个方面，提供了一种上述甲烷与氮气混合物分离系统的分离工艺，包括如下循环过程：
21.开启所述第五阀门、所述第十一阀门、所述第六阀门、所述第十三阀门、所述第一阀门、所述第八阀门、所述第四阀门、所述第十二阀门；煤层气由所述第一压缩机从所述第一吸附塔的中部进料口进料，所述氮气产品气储罐中的部分氮气通入所述第一吸附塔完成塔顶冲洗，并且所述第一吸附塔排出的甲烷通入所述甲烷产品气储罐，所述甲烷产品气储罐中部分甲烷由所述甲烷产品气出料口排出，其余部分甲烷通过所述压缩机进入所述第二吸附塔，甲烷和氮气混合气通过所述第二吸附塔的吸附后进入所述氮气产品气储罐，且部分氮气由氮气产品气出料口排出；
22.达到设定吸附时间后，关闭所述第五阀门、所述第十一阀门、所述第六阀门、所述第十三阀门、所述第一阀门、所述第八阀门、所述第四阀门、所述第十二阀门；开启所述第七阀门和所述第十阀门，完成所述第一吸附塔的终升压工作和所述第二吸附塔的降压工作；
23.开启所述第七阀门、所述第十阀门、所述第六阀门、所述第十三阀门、所述第二阀门、所述第三阀门、所述第九阀门、所述第十二阀门；煤层气由所述第一压缩机从所述第二吸附塔的中部进料口进料，所述氮气产品气储罐中的部分氮气通入所述第二吸附塔完成塔顶冲洗，并且所述第二吸附塔排出的甲烷通入所述甲烷产品气储罐，所述甲烷产品气储罐中部分的甲烷由所述甲烷产品气出料口排出，其余部分甲烷经所述压缩机进入所述第一吸附塔，甲烷和氮气混合气通过所述第一吸附塔的吸附后进入所述氮气产品气储罐，且部分氮气由氮气产品气出料口排出；
24.达到设定吸附时间后，关闭所述第七阀门、所述第十阀门、所述第六阀门、所述第十三阀门、所述第二阀门、所述第三阀门、所述第九阀门、所述第十二阀门；开启所述第十一阀门和所述第五阀门，完成所述第一吸附塔的降压工作和所述第二吸附塔的终升压工作。
25.进一步地，所述第一吸附塔和所述第二吸附塔的吸附压力设定为0.2～0.5mpa。
26.进一步地，解吸过程采用常压解吸或抽真空解吸。
27.本发明的有益效果是：
28.本发明充分利用活性炭对氮气甲烷优良的分离性能，结合双回流装置特性，合理的设置时序能够分理出高纯度的氮气和甲烷气体，而且保持较高的回收率：
29.(一)本发明的甲烷与氮气混合物分离系统和分离工艺，包括第一压缩机、第一吸附塔、第二吸附塔、第二压缩机、甲烷产品气储罐、氮气产品气储罐；所述第一吸附塔和所述第二吸附塔内均装填有活性炭分离材料，本发明提供的分离系统采用比表面积大、微孔结构发达的活性炭作为甲烷/氮气的吸附分离材料，甲烷在活性炭上的吸附量较大，且活性炭对甲烷/氮气的分离系数大于3.5，因此可以通过变压吸附对甲烷/氮气混合物进行有效分离。
30.(二)本发明的甲烷与氮气混合物分离系统和分离工艺，变压吸附相比于低温深冷精馏和膜分离技术而言，装置更为灵活，规模较小，成本及能耗较低，更适用于我国煤层气资源开发及甲烷富集回收领域。
31.(三)本发明的甲烷与氮气混合物分离系统和分离工艺，双回流变压吸附作为一种新型的变压吸附技术，能够克服热力学限制，传统的变压吸附只能得到一种较高纯度的产品气，而双回流变压吸附能够同时得到两种高纯度、高回收率的产品气，在富集甲烷的同时，还能分离得到高纯度的氮气产品。
32.(四)本发明的甲烷与氮气混合物分离系统和分离工艺，可以在常温和0.2～0.5mpa吸附压力下操作，因此能耗与成本低廉，适用于工业上煤层气开发、甲烷/氮气分离、提高沼气热值以及降低煤矿中瓦斯浓度等领域。
附图说明
33.图1是本发明所提供的甲烷与氮气混合物分离系统的结构示意图；
34.图中：1-第一压缩机，2-第七阀门，3-第一吸附塔，4-第五阀门，5-第二吸附塔，6-第十阀门，7-第十一阀门，8-真空泵，9-第二压缩机，10-第六阀门，11-甲烷产品气储罐，12-第十三阀门，13-第二阀门，14-第一阀门，15-第三阀门，16-第八阀门，17-第四阀门，18-第九阀门，19-氮气产品气储罐，20-第十二阀门。
具体实施方式
35.下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
36.在本发明的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
37.此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
38.为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。
39.如图1所示，本实施例提供了一种甲烷与氮气混合物分离系统，采用比表面积大、微孔结构发达的活性炭为分离材料，采用两个吸附塔双回流变压吸附工艺为分离技术，对甲烷/氮气混合物进行分离，在富集甲烷的同时得到高纯度的氮气产品气。
40.具体地，一种甲烷与氮气混合物分离系统包括第一压缩机1、第七阀门2、第一吸附塔3、第五阀门4、第二吸附塔5、第十阀门6、第十一阀门7、真空泵8、第二压缩机9、第六阀门10、甲烷产品气储罐11、第十三阀门12、第二阀门13、第一阀门14、第三阀门15、第八阀门16、第四阀门17、第九阀门18、氮气产品气储罐19、第十二阀门20。
41.其中，第一吸附塔3和第二吸附塔5内均装填有等重量的活性炭分离材料，活性炭分离材料的比表面积优选为850-950m2/g，孔容优选为0.45-0.55cm3/g，平均孔径优选为2.2-2.3nm。比表面积在850-950m2/g之间时，配合本系统能够达到较好的纯度和回收率，而且孔容在0.45-0.55cm3/g、平均孔径在2.2-2.3nm之间时分离氮气/甲烷混合气的效果最佳，因此选用该参数的活性炭材料时，能够在较低的经济投入下，保持较优的分离效果。
42.进料口与第一压缩机1的入口相连，第一压缩机1的出口分别通过第一阀门14与第一吸附塔3的中部进料口相连、第二阀门13与第二吸附塔5的中部进料口相连。
43.第一吸附塔3的塔顶出料口通过第三阀门15与氮气产品气储罐19的入口相连，氮气产品气储罐19的出口通过第四阀门17与第一吸附塔3的塔顶回流口相连。
44.第一吸附塔3的塔底出料口通过第五阀门4与真空泵8的入口相连，真空泵8的出口与甲烷产品气储罐11的入口相连，甲烷产品气储罐11的出口通过第六阀门10与第二压缩机9的入口相连，第二压缩机9的出口通过第七阀门2与第一吸附塔3的塔底回流口相连。
45.第二吸附塔5的塔顶出料口通过第八阀门16与氮气产品气储罐19的入口相连，氮气产品气储罐19的出口通过第九阀门18与第二吸附塔5的塔顶回流口相连。
46.第二吸附塔5的塔底出料口通过第十阀门6与真空泵8的入口相连，真空泵8的出口与甲烷产品气储罐11的入口相连，甲烷产品气储罐11的出口通过第六阀门10与第二压缩机9的入口相连，第二压缩机9的出口通过第十一阀门7与第二吸附塔5的塔底回流口相连。
47.氮气产品气储罐19通过第十二阀门20与氮气产品气出料口相连。
48.甲烷产品气储罐11通过第十三阀门12与甲烷产品气出料口相连。
49.通过上述甲烷与氮气混合物分离系统，将低浓度煤层气的原料气经第一压缩机1压缩后，从第一吸附塔3的中部进料口进料，第一吸附塔3塔顶伴有氮气产品气冲洗，塔底采出浓度较高的甲烷，一部分甲烷作为重组分产品气输出，另一部分甲烷作为重组分回流气回流至第二吸附塔5进行置换步骤，第二吸附塔5塔顶采出高纯度氮气，一部分氮气作为轻组分产品气输出，另一部分氮气作为轻组分回流气回流冲洗第一吸附塔3。至此，第一吸附塔3已完成低压进料/冲洗步骤，塔底采出浓度较高的甲烷，第二吸附塔5已完成重组分回流置换步骤，塔顶采出高纯度氮气。之后，第二吸附塔5进行逆放或抽真空步骤，气体从第二吸附塔5塔底逆向放出经第二压缩机9压缩后给第一吸附塔3进行升压。至此，第二吸附塔5完成逆放或抽真空步骤，塔内压力降至低压，第一吸附塔3完成升压步骤，塔内压力升至高压。之后，两塔互换时序，完成剩余步骤。
50.在以上变压吸附循环中，第一吸附塔3和第二吸附塔5的吸附压力可以设定为0.2
～0.5mpa，解吸过程采用常压解吸或抽真空解吸。
51.优选时序方案如下：
52.阶段(一)(二)(三)(四)设定吸附时间100s90s100s90s第一吸附塔3冲洗均压升吸附均压降第二吸附塔5吸附均压降冲洗均压升
53.具体地操作步骤如下：
54.(一)开启第五阀门4、第十一阀门7、第六阀门10、第十三阀门12、第一阀门14、第八阀门16、第四阀门17、第十二阀门20：将甲烷含量10％-30％的低浓度煤层气由第一压缩机1通过管路经第一阀门14从第一吸附塔3的中部进料口进料，第一吸附塔3通过第四阀门17将氮气产品气储罐19中的少部分氮气通入第一吸附塔3完成塔顶冲洗，并且第一吸附塔3从第五阀门4排出置换下来的甲烷经真空泵8通入甲烷产品气储罐11，甲烷产品气储罐11中大部分的甲烷通过第十三阀门12由甲烷产品气出料口排出，少部分的甲烷经过第六阀门10通入压缩机9再经第十一阀门7进入第二吸附塔5，甲烷和氮气混合气通过第二吸附塔5的吸附后，由第八阀门16通入氮气产品气储罐19，此时大部分的氮气通过第十二阀门20由氮气产品气出料口排出。
55.达到设定吸附时间后，关闭第五阀门4、第十一阀门7、第六阀门10、第十三阀门12、第一阀门14、第八阀门16、第四阀门17、第十二阀门20。
56.设定吸附时间根据工艺纯度要求以及穿透时间确定，根据穿透时间选取能最大化利用吸附剂且不会导致重组分纯度超标的吸附时间；例如，本实施例中甲烷纯度为66.6％设置的时间为100s。
57.(二)仅开启第七阀门2和第十阀门6：完成第一吸附塔3的终升压工作和第二吸附塔5的降压工作。
58.(三)开启第七阀门2、第十阀门6、第六阀门10、第十三阀门12、第二阀门13、第三阀门15、第九阀门18、第十二阀门20：
59.将甲烷含量10％-30％的低浓度煤层气由第一压缩机1通过管路经第二阀门13从第二吸附塔5的中部进料口进料，第二吸附塔5通过第九阀门18将氮气产品气储罐19中的少部分氮气通入第二吸附塔5完成塔顶冲洗，同时第二吸附塔5从第十阀门6排出置换下来的甲烷经真空泵8通入甲烷产品气储罐11，甲烷产品气储罐11中大部分的甲烷通过第十三阀门12由甲烷产品气出料口排出，少部分的甲烷经过第六阀门10通入压缩机9再经第七阀门2进入第一吸附塔3，甲烷和氮气混合气通过第一吸附塔3的吸附后，由第三阀门15通入氮气产品气储罐19，此时大部分的氮气通过第十二阀门20由氮气产品气出料口排出。
60.达到设定吸附时间后，关闭第五阀门4、第十一阀门7、第六阀门10、第十三阀门12、第一阀门14、第八阀门16、第四阀门17、第十二阀门20。
61.设定吸附时间与阶段(一)相同。
62.(四)仅开启第十一阀门7和第五阀门4：完成第一吸附塔3的降压工作和第二吸附塔5的终升压工作。
63.至此，一个完整的循环过程完成。
64.可见，第一吸附塔3在第一个循环开始作为低压塔，第二吸附塔5在第一个循环开
始作为高压塔，经过时序互换后第一吸附塔3变为高压塔，第二吸附塔5变为低压塔。
65.试验证明，该分离工艺采用两塔四步骤的双回流变压吸附对甲烷含量为10％～30％的原料气进行分离，第一吸附塔3和第二吸附塔5依次经过低压进料/冲洗、升压、重组分回流置换、逆放或抽真空等四个步骤，最终塔底得到浓度为50％～70％的甲烷，回收率为95％～99％，塔顶得到浓度为95％～99％的氮气，回收率为85％～90％。
66.以上仅为本发明的较佳实施例而已，仅具体描述了本发明的技术原理，这些描述只是为了解释本发明的原理，不能以任何方式解释为对本发明保护范围的限制。基于此处解释，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进，及本领域的技术人员不需要付出创造性的劳动即可联想到本发明的其他具体实施方式，均应包含在本发明的保护范围之内。