煤层气单塔吸附过程的模拟

李建伟，张三莉，宣自润，姚卫国，陈冲

（西安科技大学化学与化工学院，陕西西安710054）

煤层气单塔吸附过程的模拟

李建伟，张三莉，宣自润，姚卫国，陈冲

（西安科技大学化学与化工学院，陕西西安710054）

采用Aspen Adsorption软件建立了φ(CH4)为20%煤层气的吸附非等温模型，研究了单塔穿透吸附过程的动态模拟，考察了床层温度、甲烷和氮气的吸附量以及气速等参数的分布规律。结果表明：穿透曲线的模拟结果和实验基本符合。床层相同位置处、同一时间内吸附相和气相温度变化相似，且随时间的推进，各段温度先升高后降低，最终趋于稳定，温度变化幅度为5～15℃。吸附前期，甲烷吸附处于竞争优势，在吸附时间750s时吸附达到饱和，吸附量为0.653mol/kg，约为氮气吸附量的2倍。在150s之前，床层出口段气速始终小于入口段，随时间的增长，进口段气速优先升高，其他段气速随后，待750s后床层吸附达到饱和，此时，各段气速稳定并保持在一个较高的水平。

煤层气；吸附；模拟；Aspen Adsorption；穿透曲线；轴向分布

煤层气是重要非常规天然气资源[1]，但是煤炭开采采出的煤层气（CMM）甲烷含量一般较低，难于充分高效利用，因此开发高效的煤层气甲烷富集技术，对煤层气的综合利用意义重大[2-5]。

当前浓缩煤层气的研究，主要建立在实验室范围内[6-8]。而越来越多的学者开始关注软件在煤层气富集工艺的研究。四川大学施海珊等[9]采用ASPEN ADSIM模拟CH4和N2的吸附过程，考察了压力、温度和传质系数等对甲烷吸附过程中穿透曲线的影响。杨华伟[10]等建立了三塔真空变压吸附工艺模拟CH4/N2的分离过程，且考察了多种因素对产品纯度和回收率的影响。刘金元等[11]采用Aspen Adsorption对CH4/N2/CO2三组分煤层气的吸附进行数值模拟研究，得到3种气体的穿透曲线和吸附柱轴向负载分布，并考察了压力和气体流速对吸附和穿透曲线的影响。

本文在实验的基础上，借助Aspen adsorption v7.3模拟软件，对单塔穿透吸附过程进行模拟，分析了床层温度、甲烷/氮气吸附量及气速分布规律，旨在为煤层气浓缩利用的工业化应用奠定基础。

1 数学方法与参数设置

1.1 模型假设

假设煤层气仅为CH4和N2，可作以下假设：①进出口气体均为理想气体；②相流动模型为平推流，忽略径向扩散及浓度分布；③等温线型符合Henry吸附等温模型。根据床层特点，本文只考虑轴向扩散即浓度分布，基础物性由Aspen Properties提供，热力学方法采用PENG-ROB方程[12]。

1.2 数学方法

模拟过程中的数学模型采用和文献相同的模型[10]，模拟方法采用有限差分法进行迭代求解，并将吸附塔轴向分散为20个迭代单元，偏微分方程的离散采用一维上风差分法[13]，方程如下：

1.3 参数设置

根据实验数据拟合可得各吸附参数如表1、2，同时运用Aspen Adsorption软件建立上述模型。

表1 吸附等温线常数与传质系数

表2 吸附床及吸附剂性质

2 单塔穿透模拟结果与讨论

2.1 单塔穿透的实验与模拟

实验中将甲烷和氮气混合气经气体流量计进入吸附柱进行甲烷吸附，出口甲烷含量由安装在出口处的固定式甲烷检测器在线监测与记录，直到甲烷完全穿透吸附柱为止。本文通过设定吸附剂等温数据，进料流量1.09×10-6kmol/s，n(CH4)/n(N2)=1/3以及吸附压力300kPa，温度278.15K等因素进行模拟。图1中分别为甲烷单塔穿透实验及Aspen Adsorption软件模拟结果。

图1 甲烷单塔实验与模拟穿透曲线

从图1可看出，穿透曲线的模拟结果与实验虽略有偏差，但考虑到实验中存在一定的系统和操作误差，因此认为模拟结果和实验基本相符，即本文建立的单塔吸附模型正确，能正确反映床层内的变化趋势。

2.2 单塔床层轴向分布规律的模拟研究

2.2.1 床层轴向温度的分布规律

该吸附模型为非等温吸附，绝热操作，图2为床层吸附相和气相温度的轴向分布与随时间的变化关系，本文均选择1、10、19节点分别代表床层入口段、中间段、出口段。

从图2b、图2d可以看出，床层相同位置处吸附相与气相的温度变化相似，由于吸附前期，床层进口处吸附甲烷放热，使得温度迅速升高，但随着时间的延长，进口处吸附达到饱和，受进气温度影响，进口处温度降低；而中间段与出口段由于受到进口气体影响较小，温度虽然有所下降，但较为缓慢；但如果吸附时间足够长，最终床层温度会与进气温度保持一致。

同样从图2a、图2c可以看出，所选取的不同时间点的吸附相温度和气相温度在轴向的分布有着相似的变化趋势，温度在5～15℃范围内变化。

图2 床层吸附相和气相温度的轴向分布（a和c）及其随时间的变化（b和d）

2.2.2 床层轴向甲烷吸附量的分布规律

吸附剂的负载能够更加直观的反映出甲烷在吸附剂上的吸附量。如图3为甲烷吸附量轴向分布图，图4为床层不同位置CH4/N2吸附量随时间的变化。从图3可看出，在50s时床层前端开始吸附，其吸附量远大于床层的后半段；150s时吸附前端基本达到饱和，而出口端吸附刚好达到穿透状态；之后床层吸附前端随时间向床层后端缓慢推移，900s与750s时床层吸附量基本相同，表明在750s时整个床层吸附已处于饱和状态，此时甲烷吸附量为0.653mol/kg。图4中选择1、10、19节点分别代表床层入口段、中间段、出口段。从图中能够看出，氮气的吸附能力低于甲烷，随着时间的延长，甲烷和氮气在吸附剂上的负载量趋于饱和，此时甲烷饱和吸附量约为氮气饱和吸附量的2倍。

图3 甲烷吸附量轴向分布图

图4 床层不同位置CH4/N2吸附量随时间的变化

2.2.3 床层轴向气速的分布规律

气速是吸附剂装填空隙、颗粒孔隙及气体传质扩散的综合体现，因此研究床层气速的分布规律，更能直观分析气体在床层内的流动状况。如图5所示，在150s之前，出口段气速始终小于入口段气速，750s后床层吸附饱和，各段气速稳定并保持在一个较高的水平。从图6可看出，随着时间的延长，床层各段气速均有上升，且进口段气速优先趋于稳定，中间段和出口段的稳定气速略高于底部气速，主要是因为吸附剂对气体的吸附作用，使得床层后段通气量小于前段，但随着时间的延长，床层前段吸附量趋于饱和，使得后段气速逐渐增加，直至吸附饱和。此外，气体吸附属放热过程，床层温度升高，使中上部的气速略高于进气气速。

图5 床层气速的轴向分

图6 床层不同位置气体速度随时间变化

3 结论

通过拟合实验数据，利用Aspen adsorption v7.3软件建立单塔穿透吸附模型，可正确反映CH4/N2在吸附塔中的吸附过程。结果表明：

(1)受吸附放热的影响，床层温度变化范围为5～15℃；

(2)床层相同位置处，同一时间内吸附相和气相温度变化相似，随着时间的推进，各段温度先升高后降低（进口段较为迅速），最终趋于一致；

(3)起始时，床层前段甲烷处于吸附优势，吸附能力大，随着床层被穿透至饱和，甲烷和氮气在床层轴向的吸附量趋于平衡吸附量，且前者是后者的2倍；

(4)穿透吸附过程中，进口段气速一般大于出口段，且变化幅度较小，优先趋于稳定，出口段受温度升高的影响，其稳定气速略高于进口段。

[1]赵洪涛,许玮,武建军,等.煤层气综合利用现状及前景[J].能源技术与管理,2011,(4):105-107.

[2]殷勤财,潘鑫原.煤层气综合利用现状及其存在的主要问题[J].煤炭经济研究,2013,33(8):77-82.

[3]王钰.我国煤层气开发利用现状及发展建议[J].化学工业,2013,31(1):1-6.

[4]刘聪敏.吸附法浓缩煤层气甲烷研究[D].天津:天津大学,2010.

[5]马新涛,刘朋.浅析煤层气浓缩技术研究及发展[J].陕西煤炭,2010,(5):56-58.

[6]龚肇元,王宝林,陶鹏万,等.变压吸附法富集煤矿瓦斯

Simulation of adsorption process of coal mine methane in single column

气中甲烷[P].CN:85103557,1987.
[7]Olajossy A.Methane separation from coal mine methane gas by vacuum pressure swing adsorption[J].Chem Eng Res Des,2003,81:474-482.
[8]Grande C A.Carbon molecular sieves for hydrocarbon separations by adsorption[J].Ind Eng Chem Res,2005, 44:7218-7227.
[9]施海珊,王煤,马睿.低浓度煤层气吸附过程的模拟[J].煤炭学报,2012,37(9):1483-1487.
[10]杨华伟,张正旺,张东辉.真空变压吸附分离氮气甲烷模拟与实验研究[J].化学工业与工程,2013,30(5):55-60.
[11]刘金元,王煤,陈超.三组分煤层气吸附的数值模拟研究[J].中国矿业大学学报,2013,42(6):965-969.
[12]Aspen Technology.AspenAdsim2004.1Adsorption Reference Guide[Z].http://www.aspentech.com.
[13]Abudour A M,Mohammad S A,Gasem K A M.Modeling high-pressure phase equilibria of coalbed gases/water mixture with the Peng-Robinson equation of state[J].Fluid Phase Equilib,2012,319:104-112.

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；基金来源：国土资源部煤炭资源勘查与综合利用实验室科研课题（KF2013-1）；作者简介：李建伟(1971-)，博士，男，副教授，主要从事煤化工多联产系统的模拟与优化，电话13991240155，电邮jansweili@xust.edu.cn。