CN118286829B - 模拟移动床运行多塔变压吸附工艺分离ch4和co2的方法 - Google Patents
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Abstract
本申请公开模拟移动床运行多塔变压吸附工艺分离CH4和CO2的方法，包括如下步骤：(1)至少两吸附塔执行吸附操作，混合气经混合通气装置导入一所述吸附塔并随后导入其余的执行吸附操作的所述吸附塔，最后部分CH4从加压吸附后的所述吸附塔的塔顶排出并导向所述CH4储气装置；(2)同时，至少两所述吸附塔执行置换操作，部分CO2由所述CO2储气装置排出并导入一执行置换操作的所述吸附塔内；(3)同时，一所述吸附塔执行解吸操作，泵运行以对所述吸附塔抽真空；(4)在抽真空条件下，部分CH4由所述CH4储气装置排出并导入对应的所述吸附塔内，最终CO2和CH4的混合气由所述吸附塔的塔底导向所述混合通气装置；(5)循环步骤(1)至步骤(4)。
Description
技术领域
本发明涉及甲烷回收技术领域，尤其涉及模拟移动床运行多塔变压吸附工艺分离CH4和CO2的方法。
背景技术
甲烷是一种重要的清洁能源，已经被广泛地投入工业、商业以及住宅应用之中，其每年的消耗量占据全球能源消耗总量的22％。另外，甲烷燃烧时的碳排放量远低于其它传统化石能源，由于这一优势，甲烷成为未来的主体消费能源。
众所周知，沼气的主要成分是甲烷，由于沼气的来源丰富，如生活垃圾发酵、林业垃圾发酵、能源作物发酵等，使得沼气成为一种有价值的、可持续的能源载体。通过发酵得到的沼气非常规天然气，其中甲烷与二氧化碳的组成比例一般为50:50，由于酸性气体CO2的存在不仅影响了甲烷的燃烧效果，还会对运输管路造成腐蚀，因此，必须通过去除CO2来升级或净化原始沼气，从而增加其CH4含量，进而生产出高纯度的生物甲烷。目前，由于沼气的生产能力通常很小，变压吸附技术因其适合处理小到中等产能产品的特点，成为将沼气升级为生物甲烷的最适合的技术。另外，变压吸附法在分离过程中无需外加热源，其设备简单，能源消耗低，成本低，且对气体提纯后不会造成二次污染，操作灵活，也被认为是非常有前景的分离沼气中CH4和CO2的方法。
传统五步真空变压吸附工艺通常包括加压、吸附、置换、抽真空、吹扫五个操作步骤。在分离过程中，通过吸附剂对甲烷与二氧化碳吸附平衡量之间的差异实现CH4和CO2分离，由于甲烷为弱吸附组分，在吸附步骤，强吸附组分二氧化碳被吸附剂吸附，弱吸附组分甲烷因吸附量小，可在吸附塔的塔顶出口处得到富甲烷产品气。在抽真空操作下，因塔内气压减小，二氧化碳从吸附剂上解吸，因此，可以在抽真空操作吸附塔的塔底出口处得到富二氧化碳产品气。
在此过程中，每个步骤均采用单塔进行操作，由于受限于吸附剂的量和吸附剂的吸附能力，CH4和CO2的混合气经吸附操作后得到的产品气中依然掺杂有大量CO2，使得CH4和CO2的分离效率比较低，虽然可通过增加吸附剂填充床层的长度来增加塔内吸附量，但床层长度过长会导致抽真空环节塔压降增大，造成吸附剂再生难的问题，导致分离成本非常高。另外，完成吸附操作的吸附塔经过单次置换后即进入解吸环节，可能存在置换不彻底的情况，从而降低CH4的回收率。
发明内容
本发明的一个优势在于提供模拟移动床运行多塔变压吸附工艺分离CH4和CO2的方法，本发明在吸附操作中多塔串联的方式增加了吸附剂填充床层长度，且不会导致单塔因床层长度过长而在后续抽真空环节塔压降增大，提高CH4与CO2的分离效率的同时确保吸附剂能够顺利再生。
本发明的一个优势在于提供模拟移动床运行多塔变压吸附工艺分离CH4和CO2的方法，通过所述模拟移动床运行多塔变压吸附工艺分离CH4和CO2的方法分离30％-60％CH4和CO2混合气时，可以同时得到两个高浓度产品气，高于95％纯度的CH4产品气和99％纯度的CO2副产品气。
本发明的一个优势在于提供模拟移动床运行多塔变压吸附工艺分离CH4和CO2的方法，本发明在置换操作中采用多塔串联的方式增加吸附剂填充床层长度，并模拟移动床操作模式，这样一来，相比常规的变压吸附工艺，大大提高CO2置换塔内滞留的CH4效率和CH4的回收率。
本发明的一个优势在于提供模拟移动床运行多塔变压吸附工艺分离CH4和CO2的方法，本发明在吸附操作中采用多塔串联的方式并模拟移动床操作模式运行，使塔内吸附剂相与气体流动相形成逆流流动，相比常规的变压吸附工艺，吸附剂的利用率得到大幅度提高。
为达到本发明以上至少一个优势，本发明提供模拟移动床运行多塔变压吸附工艺分离CH4和CO2的方法，模拟移动床运行多塔变压吸附工艺分离CH4和CO2的方法，包括如下步骤：
(1)至少两吸附塔执行吸附操作，打开一执行吸附操作的所述吸附塔塔底与混合通气装置之间连接的进料线上的进料阀、将所有执行吸附操作的所述吸附塔串联的连通线上的导流阀和其中一执行吸附操作前需被加压的所述吸附塔塔顶与CH4储气装置之间连接的出料线上的出料阀，混合气经所述混合通气装置导入一所述吸附塔并随后导入其余的执行吸附操作的所述吸附塔，在此过程中，部分CO2被吸附，且经至少一执行吸附操作的所述吸附塔吸附后的混合气从所述吸附塔的塔顶流出并导向执行吸附操作前需被加压的所述吸附塔的塔底，以混合气中的CH4对所述吸附塔进行加压，以使处于负压状态的所述吸附塔达到吸附设定压力，再由加压后的所述吸附塔执行吸附操作，以重复吸附CO2，最后部分CH4从加压吸附后的所述吸附塔的塔顶排出并导向所述CH4储气装置；
(2)同时，至少两所述吸附塔执行置换操作，打开一执行置换操作的所述吸附塔的塔底与CO2储气装置之间连接的置换线上的置换阀、将所有的执行置换操作的所述吸附塔串联的所述连通线上的所述导流阀和由所述混合通气装置直接导入混合气的执行吸附操作的所述吸附塔与最后执行置换操作的所述吸附塔之间所述连通线上的所述导流阀，部分CO2由所述CO2储气装置排出并导入一执行置换操作的所述吸附塔内，CO2与残留于所述吸附塔中的CH4进行置换以从所述吸附塔的塔顶排出的CO2与CH4的混合气，CO2与CH4的混合气导向其余的执行置换操作的所述吸附塔，以利用CO2与CH4的混合气中的CO2置换其余的执行置换操作的所述吸附塔内的CH4，由最后执行置换操作的所述吸附塔塔顶排出的CO2与CH4的混合气流向由所述混合通气装置直接导入混合气的执行吸附操作的所述吸附塔；
(3)同时，一所述吸附塔执行解吸操作，打开执行解吸操作的所述吸附塔塔底与泵之间连接的解吸线上的第二解吸阀和所述泵与所述CO2储气装置之间连接的所述解吸线上的引流阀，所述泵运行以对所述吸附塔抽真空，以使所述吸附塔内的部分CO2被解吸并由所述吸附塔的塔底导向所述CO2储气装置；
(4)在抽真空条件下，执行解吸操作的所述吸附塔塔底与所述泵之间连接的所述解吸线上的所述第二解吸阀保持打开状态，打开对应的所述吸附塔塔顶与所述CH4储气装置之间连接的所述解吸线上的第一解吸阀和所述泵与所述混合通气装置连接的所述解吸线上的所述引流阀，部分CH4由所述CH4储气装置排出并导入对应的所述吸附塔内，以吹扫所述吸附塔内的CO2，最终CO2和CH4的混合气由所述吸附塔的塔底导向所述混合通气装置；
(5)循环步骤(1)至步骤(4)，循环前由所述混合通气装置直接导入混合气的执行吸附操作的所述吸附塔于下一次循环中最后执行置换操作，循环前与由所述混合通气装置直接导入混合气的执行吸附操作的所述吸附塔通过所述连通线串联的执行吸附操作的所述吸附塔于下一次循环中直接由所述混合通气装置导入混合气以执行吸附操作，循环前由所述CO2储气装置直接导入CO2的执行置换操作的所述吸附塔于下一次循环中执行解吸操作，循环前与由所述CO2储气装置直接导入CO2的执行置换操作的所述吸附塔通过所述连通线串联的执行置换操作的所述吸附塔于下一次循环中直接由所述CO2储气装置导入CO2以执行置换操作，循环前执行解吸操作的所述吸附塔于下一次循环中执行吸附操作并且于吸附前被加压。
根据本发明一实施例，所述吸附塔内的吸附剂被实施为沸石或活性炭。
根据本发明一实施例，由所述CO2储气装置直接向执行置换操作的所述吸附塔导入的CO2的浓度为99％，由所述CH4储气装置直接向执行解吸操作的所述吸附塔导入的CH4的浓度高于95％。
根据本发明一实施例，步骤(1)至步骤(4)循环至与所述吸附塔设置的数量相同的次数以完成一个周期，此时每一所述吸附塔执行至少两次吸附操作和至少两次置换操作。
根据本发明一实施例，所述吸附塔设置有多个，执行吸附操作的所述吸附塔和执行置换操作的所述吸附塔的数量总和相较于所述吸附塔设置的总数少一，执行吸附操作的所述吸附塔的数量和执行置换操作的所述吸附塔的数量均可调节。
根据本发明一实施例，执行吸附操作需被加压的所述吸附塔被加压所用的CH4来源于执行置换操作的所述吸附塔排出而经过吸附操作分离出的CH4和其余执行吸附操作的所述吸附塔经吸附操作分离出的CH4。
根据本发明一实施例，所述吸附塔执行吸附操作和置换操作时的压力为101kPa-1010kPa。
根据本发明一实施例，所述吸附塔执行解吸操作时处于10kPa-20kPa的真空状态或常压。
根据本发明一实施例，所述吸附塔内的温度为常温。
根据本发明一实施例，将步骤(3)和步骤(4)所需合计时长作为每轮循环的间隔时间。
附图说明
图1示出了本发明所述变压吸附-模拟移动床工艺分离CH4和CO2的工艺流程图。
图2示出了本发明所述变压吸附-模拟移动床工艺分离CH4和CO2的工艺的一实施的流程图。
图3示出了本发明所述变压吸附-模拟移动床工艺分离CH4和CO2的工艺的一实施的第一次循环时的气体走向示意图。
图4示出了本发明所述变压吸附-模拟移动床工艺分离CH4和CO2的工艺的一实施的第二次循环时的气体走向示意图。
图5示出了本发明所述变压吸附-模拟移动床工艺分离CH4和CO2的工艺的一实施的第三次循环时的气体走向示意图。
图6示出了本发明所述变压吸附-模拟移动床工艺分离CH4和CO2的工艺的一实施的第四次循环时的气体走向示意图。
图7示出了本发明所述变压吸附-模拟移动床工艺分离CH4和CO2的工艺的一实施的第五次循环时的气体走向示意图。
图8示出了本发明所述变压吸附-模拟移动床工艺分离CH4和CO2的工艺的一实施的第六次循环时的气体走向示意图。
具体实施方式
以下描述用于揭露本发明以使本领域技术人员能够实现本发明。以下描述中的优选实施例只作为举例，本领域技术人员可以想到其他显而易见的变型。在以下描述中界定的本发明的基本原理可以应用于其他实施方案、变形方案、改进方案、等同方案以及没有背离本发明的精神和范围的其他技术方案。
本领域技术人员应理解的是，在本发明的揭露中，术语“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系是基于附图所示的方位或位置关系，其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，因此上述术语不能理解为对本发明的限制。
可以理解的是，术语“一”应理解为“至少一”或“一个或多个”，即在一个实施例中，一个元件的数量可以为一个，而在另外的实施例中，该元件的数量可以为多个，术语“一”不能理解为对数量的限制。
参考图1，依本发明一较佳实施例的模拟移动床运行多塔变压吸附工艺分离CH4和CO2的方法将在以下被详细地阐述，所述模拟移动床运行多塔变压吸附工艺分离CH4和CO2的方法采用变压吸附的方式和模拟移动床的操作模式，大幅度提高CH4和CO2的混合气中CH4的回收率和CH4、CO2的分离效率。
所述模拟移动床运行多塔变压吸附工艺分离CH4和CO2的方法是一种循环吸附、置换和解吸的工艺过程。所述模拟移动床运行多塔变压吸附工艺分离CH4和CO2的方法操作采用至少五个吸附塔10组成的设备进行操作，所述设备的结构连接如图所示。一轮循环中，至少两所述吸附塔10执行吸附操作，其中一个所述吸附塔10执行吸附操作前需被加压，至少两所述吸附塔10执行置换操作，一个所述吸附塔10执行解吸操作，其中解吸操作包括抽真空和真空吹扫两个步骤。
值得一提的是，所述吸附塔10内部填充有吸附剂，CH4和CO2的混合气在所述吸附剂上的分离机理是平衡基吸附分离，CO2相对CH4为强吸附组分。
所述设备还包括一控流阀构件20和一通气装置组合30，所述控流阀构件20包括多个进料阀21、多个出料阀22、多个置换阀23、多个解吸阀组24、两引流阀25和多个导流阀26，所述解吸阀组24包括一第一解吸阀241和一第二解吸阀242，所述通气装置组合30包括一混合通气装置31、一CH4储气装置32和一CO2储气装置33。
每一所述吸附塔10的塔底均连通一进料线并通过所述进料线与所述混合通气装置31连通，每一所述进料线上设置一所述进料阀21。每一所述吸附塔10的塔顶均连通一出料线并通过所述出料线与所述CH4储气装置32连通，每一所述出料线上设置一所述出料阀22。每一所述吸附塔10的塔底连通一置换线并通过所述置换线与所述CO2储气装置33连通，每一所述置换线上设置一所述置换阀23。每一所述吸附塔10的塔顶和塔底均连通一解吸线，与所述吸附塔10塔顶连通的所述解吸线与所述CH4储气装置32连通，与所述吸附塔10塔顶连通的所述解吸线设置一所述第一解吸阀241，与所述吸附塔10塔底连通的所述解吸线与所述混合通气装置31和所述CO2储气装置33连通，与所述吸附塔10塔底连通的所述解吸线设置一所述第二解吸阀242，所述混合通气装置31和所述CO2储气装置33与所述第二解吸阀242之间所述解吸线上分别设置一所述引流阀25。每一所述吸附塔10的塔顶通过一连通线与一所述吸附塔10的塔底连通，每一所述连通线上设置一所述导流阀26。
所述设备还包括至少一泵40，所述泵40被安装于与所述吸附塔10塔底连通的所述解吸线上且位于所述吸附塔10与所述引流阀25之间。
所述设备还包括一控制器，所述进料阀21、所述出料阀22、所述置换阀23、所述第一解吸阀241、所述第二解吸阀242、所述引流阀25、所述导流阀26和所述泵40均被可控地连接于所述控制器，以由所述控制器切换多个所述吸附塔10的运行情况。
所述模拟移动床运行多塔变压吸附工艺分离CH4和CO2的方法，包括如下步骤：
步骤(1)加压与CO2吸附：
打开一执行吸附操作的吸附塔10塔底与混合通气装置31之间连接的进料线上的进料阀21、将所有执行吸附操作的所述吸附塔10串联的连通线上的导流阀26和其中一执行吸附操作前需被加压的所述吸附塔10塔顶与CH4储气装置32之间连接的出料线上的出料阀22，混合气经所述混合通气装置31导入一所述吸附塔10并随后导入其余的执行吸附操作的所述吸附塔10，在此过程中，部分CO2被吸附，且经至少一执行吸附操作的所述吸附塔10吸附后的混合气从所述吸附塔10的塔顶流出并导向执行吸附操作前需被加压的所述吸附塔10的塔底，以混合气中的CH4由对所述吸附塔10进行加压，以使处于负压状态的所述吸附塔10达到吸附设定压力，再由加压后的所述吸附塔10执行吸附操作，以重复吸附CO2，最后部分CH4从加压吸附后的所述吸附塔10的塔顶排出并导向所述CH4储气装置32，以此提高CH4和CO2的分离效率，提高CH4的纯度。
步骤(2)CH4置换：
同时，打开一执行置换操作的所述吸附塔10的塔底与CO2储气装置33之间连接的置换线上的置换阀23、将所有的执行置换操作的所述吸附塔10串联的所述连通线上的所述导流阀26和由所述混合通气装置31直接导入混合气的执行吸附操作的所述吸附塔10与最后执行置换操作的所述吸附塔10之间所述连通线上的所述导流阀26，部分CO2由所述CO2储气装置33排出并导入一执行置换操作的所述吸附塔10内，CO2与残留于所述吸附塔10中的CH4进行置换以从所述吸附塔10的塔顶排出的CO2与CH4的混合气，CO2与CH4的混合气导向其余的执行置换操作的所述吸附塔10，以利用CO2与CH4的混合气中的CO2置换其余的执行置换操作的所述吸附塔10内的CH4，由最后执行置换操作的所述吸附塔10塔顶排出的CO2与CH4的混合气流向由所述混合通气装置31直接导入混合气的执行吸附操作的所述吸附塔10，以此提高CO2置换塔内滞留的CH4效率和CH4的回收率。
步骤(3)抽真空：
同时，打开执行解吸操作的所述吸附塔10塔底与泵40之间连接的解吸线上的第二解吸阀242和所述泵40与所述CO2储气装置33之间连接的所述解吸线上的引流阀25，所述泵40运行以对所述吸附塔10抽真空，以使所述吸附塔10内的部分CO2被解吸并由所述吸附塔10的塔底导向所述CO2储气装置33。
步骤(4)真空吹扫：
在抽真空条件下，执行解吸操作的所述吸附塔10塔底与所述泵40之间连接的所述解吸线上的所述第二解吸阀242保持打开状态，打开对应的所述吸附塔10塔顶与所述CH4储气装置32之间连接的所述解吸线上的第一解吸阀241和所述泵40与所述混合通气装置31连接的所述解吸线上的所述引流阀25，部分CH4由所述CH4储气装置32排出并导入对应的所述吸附塔10内，以吹扫所述吸附塔10内的CO2，最终CO2和CH4的混合气由所述吸附塔10的塔底导向所述混合通气装置31，此时对应的所述吸附塔10内的所述吸附剂再生，以此为再次执行加压吸附操作提供场所。
步骤(5)：循环步骤(1)至步骤(4)，循环前由所述混合通气装置31直接导入混合气的执行吸附操作的所述吸附塔10于下一次循环中最后执行置换操作，循环前与由所述混合通气装置31直接导入混合气的执行吸附操作的所述吸附塔10通过所述连通线串联的执行吸附操作的所述吸附塔10于下一次循环中直接由所述混合通气装置31导入混合气以执行吸附操作，循环前由所述CO2储气装置33直接导入CO2的执行置换操作的所述吸附塔10于下一次循环中执行解吸操作，循环前与由所述CO2储气装置33直接导入CO2的执行置换操作的所述吸附塔10通过所述连通线串联的执行置换操作的所述吸附塔10于下一次循环中直接由所述CO2储气装置33导入CO2以执行置换操作，循环前执行解吸操作的所述吸附塔10于下一次循环中执行吸附操作并且于吸附前被加压。
优选地，所述吸附塔10内的所述吸附剂被实施为沸石或活性炭。
优选地，混合气是经预处理除杂质后的非常规天然气，如发酵得到且经预处理除杂质后的沼气。混合气中CH4的含量为30％-60％，剩余为CO2。采用所述模拟移动床运行多塔变压吸附工艺分离CH4和CO2的方法分离30％-60％CH4和CO2的混合气，能够得到高于95％纯度的CH4产品气，该高于95％纯度的CH4产品气可直接并入天然气管网使用，同时得到99％纯度的CO2产品气。
值得一提的是，由所述CO2储气装置33直接向执行置换操作的所述吸附塔10导入的CO2的浓度为99％，由所述CH4储气装置32直接向执行解吸操作的所述吸附塔10导入的CH4的浓度高于95％。
在此过程中，步骤(1)至步骤(4)每循环一次，其中三个所述吸附塔10按序执行下一操作，以模拟移动床运行模式，以使所述吸附塔10内的气相与吸附剂固相形成逆向流动，强化CH4和CO2的分离效率。同时，所述CH4储气装置32和所述CO2储气装置33被连续性地分别导入CH4和CO2，使得混合气被高效处理。
另外，步骤(1)至步骤(4)循环至与所述吸附塔10设置的数量相同的次数以完成一个周期，此时每一所述吸附塔10执行至少两次吸附操作和至少两次置换操作，以确保所述吸附塔10在执行置换操作前，其内部的所述吸附剂的利用率得到最大化，提高CH4和CO2的分离效率，并且提高CO2置换所述吸附塔10内滞留的CO2的效率，提高CH4的回收率。
优选地，所述吸附塔10设置有多个，执行吸附操作的所述吸附塔10和执行置换操作的所述吸附塔10的数量总和相较于所述吸附塔10设置的总数少一，执行吸附操作的所述吸附塔10的数量和执行置换操作的所述吸附塔10的数量均可调节，以匹配实际需要。
值得一提的是，执行吸附操作需被加压的所述吸附塔10被加压所用的CH4来源于执行置换操作的所述吸附塔10排出而经过吸附操作分离出的CH4和其余执行吸附操作的所述吸附塔10经吸附操作分离出的CH4。
值得注意的是，在一个周期内，每轮循环间隔时间的选取是综合考虑加压吸附时间、置换时间和抽真空与真空吹扫时间，选择较长的时间作为每轮循环的间隔时间。通常为了保证吸附剂的高再生率，以抽真空与真空吹扫合计时长作为每轮循环的间隔时间。
优选地，所述吸附塔10执行吸附操作和置换操作时的压力为101kPa-1010kPa，以提高吸附剂的吸附量，进而提高CH4的回收产率。
作为优选地，所述吸附塔10执行解吸操作时处于10kPa-20kPa的真空状态或常压。
优选地，所述吸附塔10内的温度为常温。作为优选地，所述吸附塔10内的温度为298K。
参考图2至图8，为方便本领域技术人员理解，现就所述吸附塔10设置有六个，且在一轮循环中，三个所述吸附塔10执行吸附操作，两个所述吸附塔10执行置换操作为例进行阐述。将六个所述吸附塔10分别被定义为塔一、塔二、塔三、塔四、塔五和塔六，此时步骤(1)至步骤(4)循环六次完成一个周期，在一个周期内，六个所述吸附塔10的操作状态如表1所示。
表1变压吸附-模拟移动床工艺分离CH4和CO2时各吸附塔的操作状态和时序：
另外，分别与所述塔一、所述塔二、所述塔三、所述塔四、所述塔五和所述塔六连接的所述进料线上的所述进料阀21被定义为VF1、VF2、VF3、VF4、VF5和VF6，分别与所述塔一、所述塔二、所述塔三、所述塔四、所述塔五和所述塔六连接的所述出料线上的所述出料阀22被定义为VP1、VP2、VP3、VP4、VP5和VP6，分别与所述塔一、所述塔二、所述塔三、所述塔四、所述塔五和所述塔六连接的所述置换线上的所述置换阀23被定义为VD1、VD2、VD3、VD4、VD5和VD6，分别与所述塔一、所述塔二、所述塔三、所述塔四、所述塔五和所述塔六连接的一所述置换线上的所述第一解吸阀241被定义为VPu1、VPu2、VPu3、VPu4、VPu5和VPu6，分别与所述塔一、所述塔二、所述塔三、所述塔四、所述塔五和所述塔六连接的另一所述置换线上的所述第二解吸阀242被定义为VBP1、VBP2、VBP3、VBP4、VBP5和VBP6，分别与所述CO2储气装置33和所述混合通气装置31连接的所述解吸线上的所述引流阀25被定义为V1和V2，位于所述塔一与所述塔六、所述塔二与所述塔一、所述塔三与所述塔二、所述塔四与塔三、所述塔五与塔四、所述塔六与塔五之间的所述连通线上的所述导流阀26被分别定义为VOC1、VOC2、VOC3、VOC4、VOC5和VOC6。在一个周期内，各个循环中所有阀门开关状态如表2所示。
表2变压吸附-模拟移动床工艺分离CH4和CO2时各个循环中所有阀门的开关状态和功能说明：
值得一提的是，在一个周期内，每一所述吸附塔10执行三次吸附操作和两次置换操作，以提高CH4的回收率和CH4与CO2的分离效率。
优选地，在一个周期内，每轮循环间隔6min，执行解吸操作的所述吸附塔10抽真空的时间为5min，真空压力15kPa，真空吹扫时间为1min。
以下提供本发明模拟移动床运行多塔变压吸附工艺分离CH4和CO2的方法的具体实施例。
所述吸附塔10内填充ZSM-5沸石作为吸附剂，所述ZSM-5沸石的颗粒直径为3-5mm，BET比表面积为351.4m2/g，微孔体积为0.154cm3/g，平均微孔直径为0.7154nm。
优选地，所述ZSM-5沸石的填充高度为370mm，内径为32mm，填充量为169.4克。所述模拟移动床运行多塔变压吸附工艺分离CH4和CO2的方法采用六个以ZSM-5沸石作为吸附剂的所述吸附塔10执行50％CH4和50％CO2混合气的分离操作，实验结果如下：
进料压力200kPa，吸附压力150kPa-200kPa，置换压力200kPa-250kPa，解吸真空压力15kPa，温度298K，混合气CH4浓度50％，产品气CH4浓度95％，产品气CO2浓度99.0％，CH4产率0.836mol/kg·ads/h。
本领域的技术人员应理解，上述描述及附图中所示的本发明的实施例只作为举例而并不限制本发明。本发明的优势已经完整并有效地实现。本发明的功能及结构原理已在实施例中展示和说明，在没有背离所述原理下，本发明的实施方式可以有任何变形或修改。
Claims (10)
1.模拟移动床运行多塔变压吸附工艺分离CH4和CO2的方法，所述模拟移动床运行多塔变压吸附工艺分离CH4和CO2的方法操作采用至少五个吸附塔组成的设备进行操作，所述设备还包括控流阀构件和通气装置组合，所述控流阀构件包括多个进料阀、多个出料阀、多个置换阀、多个解吸阀组、两引流阀和多个导流阀，所述解吸阀组包括第一解吸阀和第二解吸阀，所述通气装置组合包括混合通气装置、CH4储气装置和CO2储气装置，每一所述吸附塔的塔底均连通进料线并通过所述进料线与所述混合通气装置连通，每一所述进料线上设置一所述进料阀，每一所述吸附塔的塔顶均连通出料线并通过所述出料线与所述CH4储气装置连通，每一所述出料线上设置一所述出料阀，每一所述吸附塔的塔底连通置换线并通过所述置换线与所述CO2储气装置连通，每一所述置换线上设置一所述置换阀，每一所述吸附塔的塔顶和塔底均连通解吸线，与所述吸附塔塔顶连通的所述解吸线与所述CH4储气装置连通，与所述吸附塔塔顶连通的所述解吸线设置一所述第一解吸阀，与所述吸附塔塔底连通的所述解吸线与所述混合通气装置和所述CO2储气装置连通，与所述吸附塔塔底连通的所述解吸线设置一所述第二解吸阀，所述混合通气装置和所述CO2储气装置与所述第二解吸阀之间所述解吸线上分别设置一所述引流阀，每一所述吸附塔的塔顶通过连通线与一所述吸附塔的塔底连通，每一所述连通线上设置一所述导流阀，所述设备还包括至少一泵，所述泵被安装于与所述吸附塔塔底连通的所述解吸线上且位于所述吸附塔与所述引流阀之间，其特征在于，包括如下步骤：
(1)至少两吸附塔执行吸附操作，打开一执行吸附操作的所述吸附塔塔底与所述混合通气装置之间连接的所述进料线上的所述进料阀、将所有执行吸附操作的所述吸附塔串联的所述连通线上的所述导流阀和其中一执行吸附操作前需被加压的所述吸附塔塔顶与所述CH4储气装置之间连接的所述出料线上的所述出料阀，混合气经所述混合通气装置导入一所述吸附塔并随后导入其余的执行吸附操作的所述吸附塔，在此过程中，部分CO2被吸附，且经至少一执行吸附操作的所述吸附塔吸附后的混合气从所述吸附塔的塔顶流出并导向执行吸附操作前需被加压的所述吸附塔的塔底，以混合气中的CH4对所述吸附塔进行加压，以使处于负压状态的所述吸附塔达到吸附设定压力，再由加压后的所述吸附塔执行吸附操作，以重复吸附CO2，最后部分CH4从加压吸附后的所述吸附塔的塔顶排出并导向所述CH4储气装置；
(2)同时，至少两所述吸附塔执行置换操作，打开一执行置换操作的所述吸附塔的塔底与所述CO2储气装置之间连接的所述置换线上的所述置换阀、将所有的执行置换操作的所述吸附塔串联的所述连通线上的所述导流阀和由所述混合通气装置直接导入混合气的执行吸附操作的所述吸附塔与最后执行置换操作的所述吸附塔之间所述连通线上的所述导流阀，部分CO2由所述CO2储气装置排出并导入一执行置换操作的所述吸附塔内，CO2与残留于所述吸附塔中的CH4进行置换以从所述吸附塔的塔顶排出的CO2与CH4的混合气，CO2与CH4的混合气导向其余的执行置换操作的所述吸附塔，以利用CO2与CH4的混合气中的CO2置换其余的执行置换操作的所述吸附塔内的CH4，由最后执行置换操作的所述吸附塔塔顶排出的CO2与CH4的混合气流向由所述混合通气装置直接导入混合气的执行吸附操作的所述吸附塔；
(3)同时，一所述吸附塔执行解吸操作，打开执行解吸操作的所述吸附塔塔底与所述泵之间连接的所述解吸线上的所述第二解吸阀和所述泵与所述CO2储气装置之间连接的所述解吸线上的所述引流阀，所述泵运行以对所述吸附塔抽真空，以使所述吸附塔内的部分CO2被解吸并由所述吸附塔的塔底导向所述CO2储气装置；
(4)在抽真空条件下，执行解吸操作的所述吸附塔塔底与所述泵之间连接的所述解吸线上的所述第二解吸阀保持打开状态，打开对应的所述吸附塔塔顶与所述CH4储气装置之间连接的所述解吸线上的所述第一解吸阀和所述泵与所述混合通气装置连接的所述解吸线上的所述引流阀，部分CH4由所述CH4储气装置排出并导入对应的所述吸附塔内，以吹扫所述吸附塔内的CO2，最终CO2和CH4的混合气由所述吸附塔的塔底导向所述混合通气装置；
(5)循环步骤(1)至步骤(4)，循环前由所述混合通气装置直接导入混合气的执行吸附操作的所述吸附塔于下一次循环中最后执行置换操作，循环前与由所述混合通气装置直接导入混合气的执行吸附操作的所述吸附塔通过所述连通线串联的执行吸附操作的所述吸附塔于下一次循环中直接由所述混合通气装置导入混合气以执行吸附操作，循环前由所述CO2储气装置直接导入CO2的执行置换操作的所述吸附塔于下一次循环中执行解吸操作，循环前与由所述CO2储气装置直接导入CO2的执行置换操作的所述吸附塔通过所述连通线串联的执行置换操作的所述吸附塔于下一次循环中直接由所述CO2储气装置导入CO2以执行置换操作，循环前执行解吸操作的所述吸附塔于下一次循环中执行吸附操作并且于吸附前被加压。
2.根据权利要求1所述模拟移动床运行多塔变压吸附工艺分离CH4和CO2的方法，其特征在于，所述吸附塔内的吸附剂被实施为沸石或活性炭。
3.根据权利要求1所述模拟移动床运行多塔变压吸附工艺分离CH4和CO2的方法，其特征在于，由所述CO2储气装置直接向执行置换操作的所述吸附塔导入的CO2的浓度为99％，由所述CH4储气装置直接向执行解吸操作的所述吸附塔导入的CH4的浓度高于95％。
4.根据权利要求1所述模拟移动床运行多塔变压吸附工艺分离CH4和CO2的方法，其特征在于，步骤(1)至步骤(4)循环至与所述吸附塔设置的数量相同的次数以完成一个周期，与此同时每一所述吸附塔执行至少两次吸附操作和至少两次置换操作。
5.根据权利要求1所述模拟移动床运行多塔变压吸附工艺分离CH4和CO2的方法，其特征在于，所述吸附塔设置有多个，执行吸附操作的所述吸附塔和执行置换操作的所述吸附塔的数量总和相较于所述吸附塔设置的总数少一，执行吸附操作的所述吸附塔的数量和执行置换操作的所述吸附塔的数量均可调节。
6.根据权利要求1所述模拟移动床运行多塔变压吸附工艺分离CH4和CO2的方法，其特征在于，执行吸附操作需被加压的所述吸附塔被加压所用的CH4来源于执行置换操作的所述吸附塔排出而经过吸附操作分离出的CH4和其余执行吸附操作的所述吸附塔经吸附操作分离出的CH4。
7.根据权利要求1所述模拟移动床运行多塔变压吸附工艺分离CH4和CO2的方法，其特征在于，所述吸附塔执行吸附操作和置换操作时的压力为101kPa-1010kPa。
8.根据权利要求1所述模拟移动床运行多塔变压吸附工艺分离CH4和CO2的方法，其特征在于，所述吸附塔执行解吸操作时处于10kPa-20kPa的真空状态。
9.根据权利要求1所述模拟移动床运行多塔变压吸附工艺分离CH4和CO2的方法，其特征在于，所述吸附塔内的温度为298K。
10.根据权利要求1所述模拟移动床运行多塔变压吸附工艺分离CH4和CO2的方法，其特征在于，将步骤(3)和步骤(4)所需合计时长作为每轮循环的间隔时间。
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