13X沸石分子筛对低浓度CO2动态吸附

doi:10.16085/j.issn.1000-6613.2021-0194

摘要/Abstract

摘要：

目前对于吸附分离技术应用于高压、低浓度CO₂脱除的研究还较少，在进行相应吸附脱碳工艺设计时也缺少相关的参考数据。为探究13X沸石分子筛对低浓度CO₂的动态吸附性能，本文利用动态吸附实验的方法，探究不同条件下低浓度（摩尔分数3%）CO₂气体在13X分子筛上的动态吸附性能，得到不同压力、温度、气体流量、填料高度及分子筛规格（尺寸、形状）等因素影响下的13X分子筛对于CO₂气体的动态吸附规律及相应的性能指标参数。结果表明：随着吸附压力的升高，13X分子筛的CO₂吸附量增加但增量逐渐减小；降低吸附温度、减小气体流量和增加填料高度均有利于增强13X分子筛的动态CO₂吸附性能，提高吸附脱碳效果，其中温度及填料高度的变化对于CO₂吸附的影响程度最大；实验还发现小尺寸及条状13X分子筛的动态吸附脱碳性能优于其他规格，并根据其特定条件下的出口CO₂浓度为50mL/m³时的CO₂吸附量指标，给出吸附剂用量与液化天然气（LNG）脱碳工艺处理量的关系系数。

关键词: 13X分子筛, 二氧化碳, 吸附, 穿透曲线

Abstract:

At present, there are insufficient studies on the application of adsorption to remove high-pressure and low concentration CO₂, and reference data for the design of the decarbonization process are not readily available. In this paper, dynamic adsorption experiments of low concentration (3%) CO₂ on 13X zeolite were performed. The influence of different pressure, temperature, gas flow, filler height and molecular sieve specifications (size, shape) on the dynamic adsorption operation parameters were explored. The result showed, with the increase of adsorption pressure, the CO₂ adsorption capacity of 13X zeolite increased but with decreasing pace. Decreasing the adsorption temperature, reducing gas flow and increasing the height of packing were all conducive to enhance the dynamic adsorption performance of 13X zeolite and improve the adsorption decarburization performance, and temperature and filler height have greater impact. The experiment also found that the dynamic adsorption and decarburization performance of the small strip 13X zeolite was better than the other ones. Based on the CO₂ adsorption capacity when the outlet CO₂ concentration was 50mL/m³ under specific conditions, the coefficient between the amount of adsorbent required and the treatment capacity of liquified natural gas (LNG) decarbonization was given.

Key words: 13X molecular sieves, carbon dioxide, adsorption, breakthrough curve

中图分类号:

TE644

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图/表 17

表1 分子筛的相关参数

分子筛类型	孔径/nm	比表面积/m² · g^-1	孔隙容积/cm³ · g^-1	规格
13X	0.9~1.0	584.6	0.2116	3~5mm球状；1.6~2.5mm球状；1.6mm条状；3.2mm条状

图1 吸附脱碳实验装置流程1—N2气瓶；2—He气瓶；3—混合气气瓶；4~6，30—减压阀；7—气体质量流量控制器；8，31—单向阀；9，27—背压阀；10，24，35—放空阀；11，20—快拆接头；12，19，21，25，28，29，32—针阀；13—吸附柱；14—加热控温钢套；15—温度传感器；16—温度控制；17—压力传感器；18—数据采集计算机；22—真空缓冲容器；23—真空泵；26—冷却器；33—在线CO2浓度检测仪；34—本生灯

图2 不同压力下的CO2吸附穿透曲线

图3 不同压力下的动态CO2吸附量

图4 不同温度下的CO2吸附穿透曲线

图5 不同温度下的动态CO2吸附量

图6 不同进气流量下的CO2吸附穿透曲线

图7 不同进气流量下的动态CO2吸附量

图8 不同填料高度下的CO2吸附穿透曲线

图9 不同填料高度下的动态CO2吸附量

图10 不同尺寸分子筛对CO2的吸附穿透曲线

图11 不同形状分子筛对CO2的吸附穿透曲线

表2 不同规格分子筛的填料高度及空隙情况

分子筛规格	填料高度/mm	空隙率	空隙/cm³ · g^-1
3~5mm球状	161	0.46	0.727
1.6~2.5mm球状	141	0.46	0.637
3.2mm条状	178	0.50	0.874
1.6mm条状	173	0.51	0.866

图12 不同规格分子筛的动态CO2吸附量

表3 不同规格13X分子筛出厂抗压强度指标

分子筛规格	抗压强度/N
3~5mm球状	≥85
1.6~2.5mm球状	≥30
3.2mm条状	≥50
1.6mm条状	≥30

表4 不同吸附压力下自变量与因变量的比例因子

项目	压力/MPa
项目	1.0	2.0	3.0	4.0
CO₂（50mL · m^-3）吸附量/mmol · g^-1	1.73	1.97	2.05	2.13
饱和CO₂吸附量/mmol · g^-1	2.60	2.78	2.94	3.05
自变量比例因子	1	2	3	4
因变量（CO₂ 50mL · m^-3吸附量）比例因子	1	1.137	1.183	1.229
因变量（饱和CO₂吸附量）比例因子	1	1.070	1.130	1.173

图13 各因素对13X分子筛动态CO2吸附量的敏感性分析

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13X沸石分子筛对低浓度CO₂动态吸附

Dynamic adsorption of low concentration CO₂over 13X zeolite

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