煤層氣單塔吸附過程的模擬

李建偉，張三莉，宣自潤，姚衛(wèi)國，陳沖

（西安科技大學(xué)化學(xué)與化工學(xué)院，陜西西安710054）

煤層氣單塔吸附過程的模擬

李建偉，張三莉，宣自潤，姚衛(wèi)國，陳沖

（西安科技大學(xué)化學(xué)與化工學(xué)院，陜西西安710054）

采用Aspen Adsorption軟件建立了φ(CH4)為20%煤層氣的吸附非等溫模型，研究了單塔穿透吸附過程的動態(tài)模擬，考察了床層溫度、甲烷和氮氣的吸附量以及氣速等參數(shù)的分布規(guī)律。結(jié)果表明：穿透曲線的模擬結(jié)果和實驗基本符合。床層相同位置處、同一時間內(nèi)吸附相和氣相溫度變化相似，且隨時間的推進，各段溫度先升高后降低，最終趨于穩(wěn)定，溫度變化幅度為5～15℃。吸附前期，甲烷吸附處于競爭優(yōu)勢，在吸附時間750s時吸附達到飽和，吸附量為0.653mol/kg，約為氮氣吸附量的2倍。在150s之前，床層出口段氣速始終小于入口段，隨時間的增長，進口段氣速優(yōu)先升高，其他段氣速隨后，待750s后床層吸附達到飽和，此時，各段氣速穩(wěn)定并保持在一個較高的水平。

煤層氣；吸附；模擬；Aspen Adsorption；穿透曲線；軸向分布

煤層氣是重要非常規(guī)天然氣資源[1]，但是煤炭開采采出的煤層氣（CMM）甲烷含量一般較低，難于充分高效利用，因此開發(fā)高效的煤層氣甲烷富集技術(shù)，對煤層氣的綜合利用意義重大[2-5]。

當前濃縮煤層氣的研究，主要建立在實驗室范圍內(nèi)[6-8]。而越來越多的學(xué)者開始關(guān)注軟件在煤層氣富集工藝的研究。四川大學(xué)施海珊等[9]采用ASPEN ADSIM模擬CH4和N2的吸附過程，考察了壓力、溫度和傳質(zhì)系數(shù)等對甲烷吸附過程中穿透曲線的影響。楊華偉[10]等建立了三塔真空變壓吸附工藝模擬CH4/N2的分離過程，且考察了多種因素對產(chǎn)品純度和回收率的影響。劉金元等[11]采用Aspen Adsorption對CH4/N2/CO2三組分煤層氣的吸附進行數(shù)值模擬研究，得到3種氣體的穿透曲線和吸附柱軸向負載分布，并考察了壓力和氣體流速對吸附和穿透曲線的影響。

本文在實驗的基礎(chǔ)上，借助Aspen adsorption v7.3模擬軟件，對單塔穿透吸附過程進行模擬，分析了床層溫度、甲烷/氮氣吸附量及氣速分布規(guī)律，旨在為煤層氣濃縮利用的工業(yè)化應(yīng)用奠定基礎(chǔ)。

1 數(shù)學(xué)方法與參數(shù)設(shè)置

1.1 模型假設(shè)

假設(shè)煤層氣僅為CH4和N2，可作以下假設(shè)：①進出口氣體均為理想氣體；②相流動模型為平推流，忽略徑向擴散及濃度分布；③等溫線型符合Henry吸附等溫模型。根據(jù)床層特點，本文只考慮軸向擴散即濃度分布，基礎(chǔ)物性由Aspen Properties提供，熱力學(xué)方法采用PENG-ROB方程[12]。

1.2 數(shù)學(xué)方法

模擬過程中的數(shù)學(xué)模型采用和文獻相同的模型[10]，模擬方法采用有限差分法進行迭代求解，并將吸附塔軸向分散為20個迭代單元，偏微分方程的離散采用一維上風(fēng)差分法[13]，方程如下：

1.3 參數(shù)設(shè)置

根據(jù)實驗數(shù)據(jù)擬合可得各吸附參數(shù)如表1、2，同時運用Aspen Adsorption軟件建立上述模型。

表1 吸附等溫線常數(shù)與傳質(zhì)系數(shù)

表2 吸附床及吸附劑性質(zhì)

2 單塔穿透模擬結(jié)果與討論

2.1 單塔穿透的實驗與模擬

實驗中將甲烷和氮氣混合氣經(jīng)氣體流量計進入吸附柱進行甲烷吸附，出口甲烷含量由安裝在出口處的固定式甲烷檢測器在線監(jiān)測與記錄，直到甲烷完全穿透吸附柱為止。本文通過設(shè)定吸附劑等溫數(shù)據(jù)，進料流量1.09×10-6kmol/s，n(CH4)/n(N2)=1/3以及吸附壓力300kPa，溫度278.15K等因素進行模擬。圖1中分別為甲烷單塔穿透實驗及Aspen Adsorption軟件模擬結(jié)果。

圖1 甲烷單塔實驗與模擬穿透曲線

從圖1可看出，穿透曲線的模擬結(jié)果與實驗雖略有偏差，但考慮到實驗中存在一定的系統(tǒng)和操作誤差，因此認為模擬結(jié)果和實驗基本相符，即本文建立的單塔吸附模型正確，能正確反映床層內(nèi)的變化趨勢。

2.2 單塔床層軸向分布規(guī)律的模擬研究

2.2.1 床層軸向溫度的分布規(guī)律

該吸附模型為非等溫吸附，絕熱操作，圖2為床層吸附相和氣相溫度的軸向分布與隨時間的變化關(guān)系，本文均選擇1、10、19節(jié)點分別代表床層入口段、中間段、出口段。

從圖2b、圖2d可以看出，床層相同位置處吸附相與氣相的溫度變化相似，由于吸附前期，床層進口處吸附甲烷放熱，使得溫度迅速升高，但隨著時間的延長，進口處吸附達到飽和，受進氣溫度影響，進口處溫度降低；而中間段與出口段由于受到進口氣體影響較小，溫度雖然有所下降，但較為緩慢；但如果吸附時間足夠長，最終床層溫度會與進氣溫度保持一致。

同樣從圖2a、圖2c可以看出，所選取的不同時間點的吸附相溫度和氣相溫度在軸向的分布有著相似的變化趨勢，溫度在5～15℃范圍內(nèi)變化。

圖2 床層吸附相和氣相溫度的軸向分布（a和c）及其隨時間的變化（b和d）

2.2.2 床層軸向甲烷吸附量的分布規(guī)律

吸附劑的負載能夠更加直觀的反映出甲烷在吸附劑上的吸附量。如圖3為甲烷吸附量軸向分布圖，圖4為床層不同位置CH4/N2吸附量隨時間的變化。從圖3可看出，在50s時床層前端開始吸附，其吸附量遠大于床層的后半段；150s時吸附前端基本達到飽和，而出口端吸附剛好達到穿透狀態(tài)；之后床層吸附前端隨時間向床層后端緩慢推移，900s與750s時床層吸附量基本相同，表明在750s時整個床層吸附已處于飽和狀態(tài)，此時甲烷吸附量為0.653mol/kg。圖4中選擇1、10、19節(jié)點分別代表床層入口段、中間段、出口段。從圖中能夠看出，氮氣的吸附能力低于甲烷，隨著時間的延長，甲烷和氮氣在吸附劑上的負載量趨于飽和，此時甲烷飽和吸附量約為氮氣飽和吸附量的2倍。

圖3 甲烷吸附量軸向分布圖

圖4 床層不同位置CH4/N2吸附量隨時間的變化

2.2.3 床層軸向氣速的分布規(guī)律

氣速是吸附劑裝填空隙、顆?？紫都皻怏w傳質(zhì)擴散的綜合體現(xiàn)，因此研究床層氣速的分布規(guī)律，更能直觀分析氣體在床層內(nèi)的流動狀況。如圖5所示，在150s之前，出口段氣速始終小于入口段氣速，750s后床層吸附飽和，各段氣速穩(wěn)定并保持在一個較高的水平。從圖6可看出，隨著時間的延長，床層各段氣速均有上升，且進口段氣速優(yōu)先趨于穩(wěn)定，中間段和出口段的穩(wěn)定氣速略高于底部氣速，主要是因為吸附劑對氣體的吸附作用，使得床層后段通氣量小于前段，但隨著時間的延長，床層前段吸附量趨于飽和，使得后段氣速逐漸增加，直至吸附飽和。此外，氣體吸附屬放熱過程，床層溫度升高，使中上部的氣速略高于進氣氣速。

圖5 床層氣速的軸向分

圖6 床層不同位置氣體速度隨時間變化

3 結(jié)論

通過擬合實驗數(shù)據(jù)，利用Aspen adsorption v7.3軟件建立單塔穿透吸附模型，可正確反映CH4/N2在吸附塔中的吸附過程。結(jié)果表明：

(1)受吸附放熱的影響，床層溫度變化范圍為5～15℃；

(2)床層相同位置處，同一時間內(nèi)吸附相和氣相溫度變化相似，隨著時間的推進，各段溫度先升高后降低（進口段較為迅速），最終趨于一致；

(3)起始時，床層前段甲烷處于吸附優(yōu)勢，吸附能力大，隨著床層被穿透至飽和，甲烷和氮氣在床層軸向的吸附量趨于平衡吸附量，且前者是后者的2倍；

(4)穿透吸附過程中，進口段氣速一般大于出口段，且變化幅度較小，優(yōu)先趨于穩(wěn)定，出口段受溫度升高的影響，其穩(wěn)定氣速略高于進口段。

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Simulation of adsorption process of coal mine methane in single column

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LI Jian-wei,ZHANG San-li,XUAN Zi-run,YAO Wei-guo,CHEN Chong
(College of Chemistry and Chemical Engineering,Xi'an University of Science and Technology,Xi'an 710054,China)

A non-isothermal model for adsorption of the coal mine methane(CMM)containing 20%CH4by volume was established by Aspen adsorption software,and used to study the dynamic simulation of the single column adsorption process.The changing rules of the bed temperature distribution,the adsorptive amounts of CH4and N2and the gas velocity were investigated.The simulated results of breakthrough curves basically coincided with the experimental results,and the temperature change of the adsorption phases was similar for the bed at the same position and the same time.Every section’s temperature?of the bed increased firstly and then decreased,?finally tended to be stable,with a variation extent of 5-15℃.Methane adsorption gained advantage at beginning,and reached the saturated adsorption of 0.653mol/kg at 750s,which was about twice as large as that of nitrogen.Before the 150s,the gas velocity of exit section was always less than that of inlet section.With the increase of time,the gas velocity of inlet section increased first,following by other sections and reaching saturation at 750s.After saturating,the gas velocities of all sections kept in a high level.

coal mine methane(CMM);adsorption;simulation;Aspen Adsorption;breakthrough curve;axial distribution

TQ028.15

：A

：1001-9219(2016）01-54-04

2015-05-18；基金來源：國土資源部煤炭資源勘查與綜合利用實驗室科研課題（KF2013-1）；作者簡介：李建偉(1971-)，博士，男，副教授，主要從事煤化工多聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)的模擬與優(yōu)化，電話13991240155，電郵jansweili@xust.edu.cn。