[發明專利]一種用于甲烷高效脫氮的吸附劑模塊

有效

• 申請號: 201711068112.0
• 申請日: 2017-11-03
• 公開（公告）號: CN109745827B
• 公開（公告）日: 2021-10-15
• 發明（設計）人: 王樹東;孫天軍;趙生生
• 申請（專利權）人: 中國科學院大連化學物理研究所
• 主分類號: B01D53/047
• 分類號: B01D53/047;C10L3/10
• 代理公司: 沈陽晨創科技專利代理有限責任公司 21001
• 代理人: 鄭虹

本發明提供一種用于甲烷高效分離的吸附劑模塊，該吸附劑模塊由規整結構吸附劑構建的組合型吸附劑模塊，所述規整結構吸附劑模塊為水力當量直徑大于10mm、長度大于30mm、內擴散距離小于0.3mm的形狀規整的吸附劑；所述規整結構吸附劑模塊由多種吸附劑組裝而成，按照原料氣流向依次疊加，其順序為：脫水吸附劑，CO₂吸附劑，甲烷/氮氣吸附劑。本發明主要涉及高效吸附提濃與純化甲烷的吸附劑模塊，每個吸附劑模塊均采用規整結構設計，其主體氣流在吸附劑上的內擴散距離小于0.3mm，每個吸附劑模塊至少含有脫水，脫碳吸附劑與脫氮吸附劑，其氣體擴散距離小于0.5mm，該吸附劑模塊吸附擴散速率快利用率高。

技術領域

本發明屬于化學材料合成與混合氣吸附分離工程技術領域，具體涉及一種用于甲烷高效分離的吸附劑模塊。

背景技術

天然氣作為世界公認的最清潔的化石能源，在各國的能源消費結構中扮演著越來越重要的角色。國家能源戰略提出到2020年，我國天然氣用量要占能源消費的12％以上，增加到4000億立方米。目前天然氣在我國能源消費比例不足6％，與12％的目標相距甚遠。我國非常規天然氣儲量巨大，開發煤層氣、頁巖氣、沼氣等非常規天然氣的高效利用技術，將對我國天然氣資源供應起到重要的緩解作用，復合我國潔凈能源發展戰略，所以也成為能源企業所關注的焦點和重要努力方向。

當前油田氣、生物沼氣、煤層氣、垃圾掩埋氣以及其他來源的低品質甲烷氣的提純方法主要有溶液吸收法、物理吸附法、膜分離法和深冷分離法。相對與其他技術而言，吸附分離法因其能耗低、工藝簡單、產品純度高、自動化程度高，成為非常規天然氣脫碳和脫氮的最佳工藝選擇。煤層氣、天然氣、油田氣、生物沼氣以及其他來源的低品質甲烷氣中的主要組成是甲烷、氮氣、二氧化碳與水，尤其是CH₄、N₂之間的分離是當前吸附分離提純天然氣的難點。

早在上個世紀，美國UOP公司與Nitrotec公司就分別獲得了五床與三床變壓吸附凈化含氮天然氣的專利，小試能把含70％的天然氣提純到95％，其回收率介于70-85％。近期BASF公司對CTS、ETS-4改性后用于CH₄-N₂與CH₄-CO₂分離，CH₄-CO₂分離比較成功，但是用Sr交換后的ETS-4造成N₂擴散速率和平衡吸附量都有較大下降；2009年日本Osaka煤氣公司在遼寧阜新進行了30％煤層氣提純至50％的真空變壓吸附過程工業試驗。我國西南化工研究院開發的變壓吸附煤層氣提純專利技術也已經有二十年的歷史，并進行了工業試驗。此外，我國其他一些研究單位，也擁有很多相關專利技術，如天津大學，重慶大學等。

針對CH₄吸附分離的吸附劑研究包括：分子篩、活性炭以及新型的金屬有機框架(Metal-Organic Frameworks,MOFs)。眾多的科研院所與公司研究發現，活性炭、碳分子篩、沸石分子篩為主的傳統吸附劑在天然氣PSA脫碳、脫氮工藝中已經不能滿足生產生活的需要。近年來一種新型的多孔吸附材料—金屬有機骨架材料(metal-organic frameworks,MOFs)以其超高比表面，孔徑可調，結構多樣化等優點在天然氣的凈化領域的應用研究受到廣泛關注。近幾年研究發現，MOFs材料在天然氣脫氮方面優勢比較明顯，如2012年，J首次證明MOFs材料Al-BDC(A100,BASF)與[Cu(Me-4py-trz-ia)]的CH₄-N₂平衡吸附分離因子可以達到4.4與5；2013年，JF Yang等還證明[Cu(dhbc)₂(bpy)]框架材料在195K時CH₄-N₂吸附分離選擇性高達42。很顯然，上述用于天然氣提質的吸附劑各有特點，如何發揮這些吸附劑的特長，并組裝廉價、高吸附容量和高選擇性的吸附床，是解決低濃甲烷氣的高效分離難題的重要環節。本發明的目的在于開發一種新型吸附劑模塊，在綜合上述吸附劑吸附優勢性能的基礎上，提高氣體在吸附劑上的擴散速率，使其應用于天然氣凈化過程，為天然氣脫碳與脫氮技術難題的解決提供新的途徑。