化工学报 ›› 2023, Vol. 74 ›› Issue (10): 4201-4207.DOI: 10.11949/0438-1157.20230895
收稿日期:
2023-08-29
修回日期:
2023-09-27
出版日期:
2023-10-25
发布日期:
2023-12-22
通讯作者:
张桥
作者简介:
麻蓉(2001—),女,硕士研究生,marong0604@stu.xjtu.edu.cn
基金资助:
Received:
2023-08-29
Revised:
2023-09-27
Online:
2023-10-25
Published:
2023-12-22
Contact:
Qiao ZHANG
摘要:
氢能作为实现可持续发展的重要载体,对构建清洁低碳高效的能源体系、实现“双碳”目标具有重要意义。通过提出变压吸附(PSA)-低温甲醇洗-膜分离的耦合氢气分离系统,并借助Aspen Plus等软件进行模拟和分析,实现了多种分离技术的优势结合。多项分离工艺集成有效利用了PSA尾气中的氢气,提高了氢气回收率;打破了单一膜分离提纯氢气的纯度瓶颈,获得产品氢气浓度高达99.67%;实现了CO2的富集和CH4的循环回收,减少了制氢原料的损失。整个系统相比于现存的装置运行分离效果和经济性更好,为其他氢气提纯问题提供了新思路和一定的实用价值。
中图分类号:
麻蓉, 张桥. PSA-低温甲醇洗-膜分离耦合的氢气分离系统建立与模拟[J]. 化工学报, 2023, 74(10): 4201-4207.
Rong MA, Qiao ZHANG. Establishment and simulation of hydrogen separation system coupled with PSA, rectisol and membrane separation[J]. CIESC Journal, 2023, 74(10): 4201-4207.
图1 组合分离系统流程图PSA—变压吸附; Rectisol—低温甲醇洗; MEM—膜分离
Fig.1 Flow chart of combined separation systemPSA—pressure swing adsorption; Rectisol—low-temperature methanol washing; MEM—membrane separation
摩尔流率/(kmol/h) | 压力/MPa | 温度/K | 摩尔分数/% | |||
---|---|---|---|---|---|---|
CH4 | H2 | CO2 | CO | |||
3430.93 | 2.2 | 313.15 | 7.524 | 73.94 | 18.35 | 0.1870 |
表1 进料气体数据
Table 1 Data of feed gas
摩尔流率/(kmol/h) | 压力/MPa | 温度/K | 摩尔分数/% | |||
---|---|---|---|---|---|---|
CH4 | H2 | CO2 | CO | |||
3430.93 | 2.2 | 313.15 | 7.524 | 73.94 | 18.35 | 0.1870 |
图2 双塔变压吸附流程模拟图T1, T2—吸附塔; TF, TD1, TD2, TW1, TW2, TP, TW—储气罐; VF, VF1, VF2, VP, VP1, VP2, VPURGE, VW—阀门
Fig.2 Simulation diagram of dual tower PSA processT1, T2—adsorption tower; TF, TD1, TD2, TW1, TW2, TP, TW—gas tank; VF, VF1, VF2, VP, VP1, VP2, VPURGE, VW—gas valve
材料 | 吸附层高度/m | 吸附床内径/m | 颗粒间隙率 |
---|---|---|---|
活性炭 | 9.530 | 3.2 | 0.36 |
5A分子筛 | 4.765 | 3.2 | 0.36 |
表2 吸附床和吸附剂物理参数
Table 2 Physical parameters of adsorption bed and adsorbents
材料 | 吸附层高度/m | 吸附床内径/m | 颗粒间隙率 |
---|---|---|---|
活性炭 | 9.530 | 3.2 | 0.36 |
5A分子筛 | 4.765 | 3.2 | 0.36 |
项目 | 摩尔流率/(kmol/h) | 压力/MPa | 温度/K | 摩尔分数/% | |||
---|---|---|---|---|---|---|---|
CH4 | CO | CO2 | H2 | ||||
PRODUCT | 2061.23 | 2.2 | 295.25 | 0.0018 | 0.0008 | 0.0322 | 99.96 |
WASTE | 1377.56 | 0.1 | 296.35 | 18.79 | 0.5354 | 46.09 | 34.59 |
表3 变压吸附产品气及尾气数据
Table 3 Data of PSA product gas and disorbed gas
项目 | 摩尔流率/(kmol/h) | 压力/MPa | 温度/K | 摩尔分数/% | |||
---|---|---|---|---|---|---|---|
CH4 | CO | CO2 | H2 | ||||
PRODUCT | 2061.23 | 2.2 | 295.25 | 0.0018 | 0.0008 | 0.0322 | 99.96 |
WASTE | 1377.56 | 0.1 | 296.35 | 18.79 | 0.5354 | 46.09 | 34.59 |
图3 低温甲醇洗流程模拟图T3—吸收塔; Y1, Y2, Y3—压缩机; C1, C2, C3—冷却器; H1, H2—加热器; V1—阀门; F1—闪蒸罐; PUMP—泵; MIX—混合器
Fig.3 Simulation diagram of rectisol processT3—absorption tower; Y1, Y2, Y3—compressor; C1, C2, C3—cooler; H1, H2—heater; V1—valve; F1—flash tank; PUMP—pump; MIX—mixer
项目 | 摩尔流率/(kmol/h) | 压力/MPa | 温度/K | 摩尔分数/% | |||
---|---|---|---|---|---|---|---|
CH4 | CO | CO2 | H2 | ||||
产品气(S8) | 475.21 | 0.1 | 298.15 | 0.2915 | 0.7194 | 0.5861 | 98.40 |
尾气(S14) | 905.48 | 2.6 | 333.15 | 28.53 | 0.4385 | 70.05 | 0.9794 |
表4 吸收塔出口气体数据
Table 4 Data of outlet gas of the absorption tower
项目 | 摩尔流率/(kmol/h) | 压力/MPa | 温度/K | 摩尔分数/% | |||
---|---|---|---|---|---|---|---|
CH4 | CO | CO2 | H2 | ||||
产品气(S8) | 475.21 | 0.1 | 298.15 | 0.2915 | 0.7194 | 0.5861 | 98.40 |
尾气(S14) | 905.48 | 2.6 | 333.15 | 28.53 | 0.4385 | 70.05 | 0.9794 |
项目 | 原料侧压力/MPa | 渗透侧压力/MPa | 操作 温度/K | 渗透速率/GPU | |||
---|---|---|---|---|---|---|---|
CH4 | CO | CO2 | H2 | ||||
一级 膜分离 | 2.6 | 0.1 | 298.15 | 0.25 | 10.7 | 10.7 | 28.1 |
二级 膜分离 | 2.5 | 0.1 | 298.15 | 0.25 | 10.7 | 10.7 | 28.1 |
表5 分离膜参数及操作条件
Table 5 Separation membrane parameters and operating conditions
项目 | 原料侧压力/MPa | 渗透侧压力/MPa | 操作 温度/K | 渗透速率/GPU | |||
---|---|---|---|---|---|---|---|
CH4 | CO | CO2 | H2 | ||||
一级 膜分离 | 2.6 | 0.1 | 298.15 | 0.25 | 10.7 | 10.7 | 28.1 |
二级 膜分离 | 2.5 | 0.1 | 298.15 | 0.25 | 10.7 | 10.7 | 28.1 |
项目 | 摩尔流率/(kmol/h) | 压力/MPa | 温度/K | 摩尔分数/% | |||
---|---|---|---|---|---|---|---|
CH4 | CO | CO2 | H2 | ||||
一级 渗透气(P1) | 591.52 | 0.1 | 298.15 | 2.456 | 0.5975 | 95.46 | 1.484 |
二级 截留气(R2) | 221.79 | 2.5 | 298.15 | 98.12 | 0.0117 | 1.863 | 0.0003 |
二级 渗透气(P2) | 89.05 | 0.1 | 298.15 | 28.39 | 0.4450 | 71.10 | 0.0625 |
表6 二级膜分离模拟结果
Tab1e 6 Simulation results of two-stage membrane separation
项目 | 摩尔流率/(kmol/h) | 压力/MPa | 温度/K | 摩尔分数/% | |||
---|---|---|---|---|---|---|---|
CH4 | CO | CO2 | H2 | ||||
一级 渗透气(P1) | 591.52 | 0.1 | 298.15 | 2.456 | 0.5975 | 95.46 | 1.484 |
二级 截留气(R2) | 221.79 | 2.5 | 298.15 | 98.12 | 0.0117 | 1.863 | 0.0003 |
二级 渗透气(P2) | 89.05 | 0.1 | 298.15 | 28.39 | 0.4450 | 71.10 | 0.0625 |
摩尔流率/(kmol/h) | 压力/MPa | 温度/K | 摩尔分数/% | |||
---|---|---|---|---|---|---|
CH4 | CO | CO2 | H2 | |||
2536.43 | 2.0 | 298.15 | 0.0561 | 0.1355 | 0.1359 | 99.67 |
表7 产品氢气数据
Table 7 Data of hydrogen product
摩尔流率/(kmol/h) | 压力/MPa | 温度/K | 摩尔分数/% | |||
---|---|---|---|---|---|---|
CH4 | CO | CO2 | H2 | |||
2536.43 | 2.0 | 298.15 | 0.0561 | 0.1355 | 0.1359 | 99.67 |
项目 | 氢气 回收率/% | 回收氢气 纯度/% | 设备投资(相对)/% | 单位产氢 成本/(CNY/m3) |
---|---|---|---|---|
一段PSA | ≥88.0 | ≥99.9 | 70 | 1.055 |
两段PSA耦合 | ≥96.3 | ≥99.9 | 110 | 1.012 |
PSA-膜分离耦合 | ≥96.5 | ≥99.9 | 100 | 1.009 |
PSA-低温 甲醇洗-膜分离 | ≥99.6 | ≥99.7 | 125 | 1.005 |
表8 不同氢气分离工艺综合指标对比
Table 8 Comparison of comprehensive indicators of different hydrogen separation processes
项目 | 氢气 回收率/% | 回收氢气 纯度/% | 设备投资(相对)/% | 单位产氢 成本/(CNY/m3) |
---|---|---|---|---|
一段PSA | ≥88.0 | ≥99.9 | 70 | 1.055 |
两段PSA耦合 | ≥96.3 | ≥99.9 | 110 | 1.012 |
PSA-膜分离耦合 | ≥96.5 | ≥99.9 | 100 | 1.009 |
PSA-低温 甲醇洗-膜分离 | ≥99.6 | ≥99.7 | 125 | 1.005 |
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