CN107759436A - 一种模拟移动床吸附分离甲烷氮气制备高纯度甲烷的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及清洁能源领域中低品质甲烷开发利用，是一种模拟移动床吸附分离甲烷氮气制备高纯度甲烷的方法。模拟移动床体系由多个吸附剂填充塔互相连接构成，设有五个气体输入输出口，将连接的多塔分割成四个区。操作时，填充塔内的吸附剂不流动，通过五个气体进出口在设定时间间隔切换移动一个填充塔，多次频繁切换移动，使塔内吸附剂与气相形成逆流流动，提高甲烷氮气分离效率；且每个填充塔依次进行低浓度甲烷吸附、甲烷置换氮气提浓塔内甲烷、二氧化碳置换塔内甲烷以及二氧化碳真空解吸操作，将连续从低浓度甲烷原料气吸附浓缩得到高纯度甲烷产品气。本发明成本低，适用于低品质甲烷浓缩，能够获得90％纯度和90％回收率的高品质甲烷产品气。

Description

一种模拟移动床吸附分离甲烷氮气制备高纯度甲烷的方法

技术领域

本发明涉及清洁能源领域中低品质甲烷利用的技术领域，具体地说，是一种模拟移动床吸附分离甲烷氮气制备高纯度甲烷的方法。

背景技术

能源与环境问题是与当今可持续发展密切相关的两大基本问题。进入21世纪后，经济对能源的过度依赖导致环境问题突出，我国经济的高速增长对能源消费需求强劲，然而当前以煤与石油为主导的能源消费格局，使得我国脆弱的自然环境不堪重负，环境污染已经威胁到人的生存。甲烷是一种优质燃料，在自然界中储量大、热值高，且具有最高的氢/碳比，在能源体系中占有重要地位，是比煤和石油更加清洁的能源。因此，从油田气、煤层气、页岩气、生物沼气、垃圾掩埋气以及其它来源的低品质甲烷气资源中分离浓缩甲烷对改善能源结构和保护大气环境，具有重要的现实意义和战略意义。

低品质甲烷气资源中除了含有一定量CH₄外还含有大量的CO₂和N₂及少量氧气。CO₂和CH₄分子物理性质差别大，二者易于分离；CH₄和N₂因两者动力学直径相近，且物理性质也相似，成为最难分离的体系。吸附分离技术具有的各种优势使得该工艺成为工业上普遍运用的重要的气体分离手段。变压吸附技术浓缩CH₄的研究很多。从20世纪80年代，许多研究者采用变压吸附技术浓缩CH₄，利用活性炭、碳分子筛(或天然沸石)吸附CH₄，分离N₂和O₂，可将CH₄的体积分数从20％～40％提高到50％～90％。如UOP公司在1992年推出的五床变压吸附净化含氮天然气专利，在小试装置上把含氮30％的天然气提纯到含CH4 96.4％。Nitrotec公司的专利也利用三塔变压吸附流程，在工业装置上把含氮30％的天然气提纯到CH₄含量为92％。国内西南化工研究设计院1983年推出变压吸附提纯煤层气工业装置，可将瓦斯气中CH₄的质量分数从20％～40％浓缩至50％～90％。但是，由于CH₄与N₂难于分离，规模化浓缩低浓度甲烷的成本和能耗偏高，甲烷回收率较低，至今没有工业化推广应用。

模拟移动床是一种新型的连续大规模分离技术。应用范围遍及石油、精细化工、生物发酵、医药、食品等很多生产领域。随着应用领域不断扩大，对技术的要求不断提高，该技术的研究与开发也正在逐步受到国内外科学家的重视。模拟移动床装置由若干个填充吸附剂的塔及输送设备组成。填充塔的数量通常为6～12个，可达24个或者更多。输送设备的数量通常为4个或者更多，分别用于进料液和洗脱液输送及液体内部循环。依据进料液输入口、洗脱液输入口、提取液出口和提余液出口这四股物料进出口可划分模拟移动床***为四个区域，如图1所示。与传统的移动床不同，模拟移动床的每个填充床内吸附剂不流动，通过四股进出物料口的位置在设定的时间间隔时沿着填充塔内流体流动方向同时移动一个填充塔的位置，依次频繁切换移动，填充塔中吸附剂相对于进出物料口位置移动，从而实现固液逆流过程，提高模拟移动床分离效率。

模拟移动床吸附分离技术是一种近代分离方法，目前国内外关于模拟移动床技术在液相混合物分离领域研究很多，积累较多经验，但是对于气相混合物的模拟移动床吸附分离过程基础理论研究几乎空白。针对气相模拟移动床技术吸附分离甲烷和氮气，经公开文献检索未有发现国内外类似的研究报道。

发明内容

因此，本发明要解决的技术问题是克服现有变压吸附技术的不足，提供一种模拟移动床吸附分离甲烷氮气制备高纯度甲烷的方法。

本发明的技术方案是，一种模拟移动床吸附分离甲烷氮气制备高纯度甲烷的方法，所述的模拟移动床体系是由多个吸附剂填充塔连接构成，并设有五个气体输入输出口，包括低品质甲烷原料气输入口、氮气排出口、二氧化碳置换气输入口、高纯度甲烷产品气输出口以及解吸的二氧化碳回收口；这五个气体输入输出口将相连接的多塔分割成四个区，分别为甲烷吸附区、甲烷提浓区、二氧化碳置换区和二氧化碳真空解吸区；

模拟移动床塔内吸附剂不流动，通过气体输入输出口在设定的时间间隔内沿气体流动方向同步切换移动一个填充塔，并连续多次循环切换移动，使塔内气体与吸附剂形成逆流流动；低品质甲烷原料气从所述甲烷吸附区的低品质甲烷原料气输入口进入，通过上述气体输入输出口频繁切换移动使每个填充塔依次进行低浓度甲烷吸附、甲烷置换氮气提浓塔内甲烷、二氧化碳置换塔内甲烷以及二氧化碳真空解吸操作，模拟移动床***连续地从低浓度甲烷原料气中吸附浓缩甲烷获得高纯度甲烷产品气；

模拟移动床***操作温度为10℃～60℃，所述甲烷吸附区、甲烷提浓区和二氧化碳置换区操作压力1.0atm～6.0atm，二氧化碳真空解吸区真空压力为2kPa～17kPa。

优选的是，所述甲烷吸附区、甲烷提浓区和二氧化碳置换区含有多个填充塔，并依次相互连接操作，通过阀门切换使吸附剂与气相形成逆流操作；所述二氧化碳真空解吸区为单塔独立运行，需要保持相同的切换时间，位于二氧化碳置换区后。

所述的模拟移动床塔内吸附剂不流动，通过气体输入输出口在设定的时间间隔内沿气体流动方向同步切换移动一个填充塔，并连续频繁切换移动，使塔内气体与吸附剂形成逆流流动，强化甲烷和氮气分离。

所述的五个气体输入输出口需要在设定的时间间隔内同步沿气体流动方向切换移动一个填充塔，连续多次循环切换移动，使每个填充塔依次进行低浓度甲烷吸附、甲烷置换氮气提浓塔内甲烷、二氧化碳置换塔内甲烷以及二氧化碳真空解吸操作。

根据本发明的一种模拟移动床吸附分离甲烷氮气制备高纯度甲烷的方法，优选的是，所述甲烷吸附区是由低品质甲烷原料气输入口与氮气排出口之间构成的分离区；所述的甲烷吸附区的作用是填充塔内吸附剂吸附捕集低浓度甲烷；

所述的甲烷提浓区是由低品质甲烷原料气输入口与高纯度甲烷产品气输出口之间构成的分离区；所述的甲烷提浓区的作用是来自二氧化碳置换区的高浓度甲烷置换填充塔内已吸附的氮气，以提高产品气中甲烷纯度；

所述的二氧化碳置换区是由高纯度甲烷产品气输出口和二氧化碳置换气输入口之间构成的分离区；所述的二氧化碳置换区的作用是采用二氧化碳置换填充塔内已经吸附的甲烷，得到高纯度甲烷产品气；

在所述的二氧化碳真空解吸区内，二氧化碳置换甲烷后的填充塔进行真空吸附剂再生，解吸的二氧化碳回收循环使用，解吸真空压力为3kPa～15kPa，也包括添加真空吹扫步骤，提高二氧化碳解吸效率。

具体为：由低品质甲烷原料气输入口与氮气排出口之间构成的分离区称为甲烷吸附区；由低品质甲烷原料气输入口与高纯度甲烷产品气输出口之间构成的分离区称为甲烷提浓区；由高纯度甲烷产品气输出口和二氧化碳置换气输入口之间构成的分离区称为二氧化碳置换甲烷区；二氧化碳置换甲烷后，填充塔充满二氧化碳置换气，采用抽真空的方法解吸塔内二氧化碳；甲烷吸附区、甲烷提浓区和二氧化碳置换区含有多个填充塔，并依次相互连接操作，而二氧化碳真空解吸区位于二氧化碳置换区后，单塔独立运行。

根据本发明的一种模拟移动床吸附分离甲烷氮气制备高纯度甲烷的方法，优选的是，所述的五个气体输入输出口同步切换时间间隔为30-300秒。

所述的五个气体输入输出口同步切换时间间隔是该工艺设计的关键参数，与吸附剂对甲烷、氮气、二氧化碳吸附分离系数密切相关。

根据本发明的一种模拟移动床吸附分离甲烷氮气制备高纯度甲烷的方法，优选的是，所述填充塔数量为10～20个或更多；所述二氧化碳真空解吸区含有一个填充塔，所述甲烷吸附区、甲烷提浓区和二氧化碳置换区每区含有两至五个或更多填充塔。填充塔数量为四个区的总数。

进一步地，每个填充塔的吸附剂填充高度小于1米。

进一步地，所述的吸附剂选自碳基吸附材料、沸石以及高硅分子筛中的一种或多种。

进一步地，所述吸附剂的形貌包括颗粒状、纤维状或者蜂窝状的一种或一种以上。

根据本发明的一种模拟移动床吸附分离甲烷氮气制备高纯度甲烷的方法，优选的是，模拟移动床***操作温度为10℃～50℃，甲烷吸附区、甲烷提浓区和二氧化碳置换区操作压力1.1atm～5.0atm，二氧化碳真空解吸区真空压力为3kPa～15kPa。

根据本发明的一种模拟移动床吸附分离甲烷氮气制备高纯度甲烷的方法，优选的是，所述的低品质甲烷原料气主要为甲烷和氮气混合物，其甲烷含量5v/v％～30v/v％，水蒸气和二氧化碳含量控制小于1v/v％。

根据本发明的一种模拟移动床吸附分离甲烷氮气制备高纯度甲烷的方法，优选的是，所述得到的高纯度甲烷产品气中甲烷含量为90％以上。

所述的气体输入输出口沿气体流动方向依次切换移动一个填充塔的时间间隔设定，连续多次循环切换，使填充塔内吸附剂与气相形成模拟的逆流流动，强化甲烷与氮气分离，使5v/v％～30v/v％甲烷含量的低品质气体通过模拟移动床吸附，能够浓缩到90％以上的高品质甲烷气，明显优于传统的真空变压吸附技术。

本发明的技术原理是：

置换色谱是一种非线性色谱技术。样品的分离是由于被吸附组分之间对固定相(吸附剂)吸附部位直接竞争作用的结果,吸附较强的组分置换吸附较弱的组分,并推动其向前移动。***达到平衡后,样品中各组分按照它们对固定相亲合力的大小形成一系列毗邻的样品区带,即置换序列,并在置换剂的推动下以相同的速度向前移动。当样品中各组分全部流出,置换剂的前沿抵达色谱柱的出口时,便完成了置换分离过程。色谱柱经再生处理,就可以进行下一次操作。置换色谱的概念已经广泛应用到液相混合物分离纯化中，但在气体吸附分离领域的研究很少，有待于进一步加强这方面理论与实际应用的研究。

基于置换色谱概念，本发明在CH₄/N₂吸附分离工艺中，添加CO₂置换步骤，使富集在吸附剂中CH₄被强吸附组分CO₂置换，提高CH₄产品纯度和回收率。图2显示典型实验结果：商业活性炭填充塔从10％CH₄煤层气中吸附捕集甲烷后，再进行CO₂置换时填充塔出口处气体流出浓度分布，出现高浓度甲烷峰，最高甲烷浓度达到100％。研究发现浓度10％甲烷气体能够提浓80％CH₄以上，甲烷回收率达到90％以上，所以“甲烷吸附和二氧化碳置换”是非常有前景的吸附分离甲烷氮气制备高纯度甲烷的工艺。

由于甲烷是非极性气体，现有商业吸附剂如活性炭对低浓度甲烷吸附容量较小，需要增加填充床的填充高度，即增加吸附剂量，以提高产品气甲烷纯度和回收率。图3显示高填充长度单塔内瞬间CH₄/N₂/CO₂浓度分布曲线，从图3中可以看出随着CO₂置换，塔内置换出的甲烷气相浓度逐渐升高，塔内形成高浓度甲烷峰，最高甲烷浓度达到100％。填充床的填充高度越长，吸附剂量越多，高浓度甲烷峰越宽，得到高纯度甲烷量越多。但是塔的填充高度增加将导致塔内流动相压力降变大，不利于吸附剂CO₂真空解吸再生。在实际应用中发现，吸附塔的填充高度最好小于1米，这样真空解吸压力降小，CO₂解吸效率高。

依据单塔内瞬间CH₄/N₂/CO₂浓度分布，本发明将高填充长度的单一吸附器分割成多个填充高度相对低的小塔，如图3。分割成的小塔数量可以适宜设计，每个小塔的填充高度小于1米，以便减少CO₂解吸压力降，使吸附剂充分再生。针对每个小塔，在CO₂置换后，分别进行CO₂真空解吸。在塔内形成的高浓度甲烷峰处，设计出口阀回收产品气甲烷。在塔内形成的低甲烷浓度处，设计入口阀输入低品质甲烷原料气。这些串联起来的多个小填充塔以及相对应的气体输入输出口将构成模拟移动床***，如图3所示，模拟移动床吸附工艺连续吸附分离甲烷/氮气制备高纯度甲烷的循环操作过程。由多塔联构建的模拟移动床***中，低浓度甲烷吸附捕集后，填充塔将切换至二氧化碳置换区和甲烷提浓区，通过二氧化碳置换，获得高浓度甲烷产品气。CO₂置换后，填充塔吸附剂再生，真空解吸CO₂，并回收CO₂气体。填充塔再生后，切换至甲烷吸附区，重复甲烷吸附、甲烷提浓、CO₂置换和CO₂解吸步骤，实现连续操作。

图4显示模拟移动床吸附分离甲烷氮气制备高纯度甲烷的连续循环操作过程。模拟移动床体系设有五个气体输入输出口，包括低品质甲烷原料气输入口、氮气排出口、二氧化碳置换气输入口、高纯度甲烷产品气输出口以及解吸的二氧化碳回收口。这五个气体输入输出口将相连接的多塔分成四个区，命名为甲烷吸附区、甲烷提浓区、二氧化碳置换区和二氧化碳真空解吸区，每个分离区的操作描述见图4。

甲烷吸附区：由低品质甲烷原料气输入口与氮气排出口之间构成的分离区称为甲烷吸附区。当低品质甲烷气输入体系后，低浓度甲烷被吸附，未被吸附的氮气排放到大气中。由于排出的氮气纯度较高，也可以回收再利用。填充塔吸附甲烷后，通过进出气阀门切换，填充塔逆向移动至甲烷置换氮气区，进行塔内甲烷提浓。

甲烷提浓区：由低品质甲烷原料气输入口与高纯度甲烷产品气输出口之间构成的分离区称为甲烷提浓区。甲烷吸附能力高于氮气，来自二氧化碳置换区的高浓度甲烷将置换来自甲烷吸附区的填充塔内氮气，多个塔逆向移动，逐步提浓塔内甲烷浓度。填充塔内甲烷提浓后，通过进出气阀门切换，填充塔移动至二氧化碳置换区，进行强吸附组分二氧化碳置换弱吸附组分甲烷。

二氧化碳置换区：由高纯度甲烷产品气输出口和二氧化碳置换气输入口之间构成的分离区称为二氧化碳置换甲烷区。二氧化碳吸附能力高于甲烷，采用二氧化碳置换来自甲烷提浓区的填充塔中甲烷，多个塔逆向移动，逐步置换塔内甲烷，得到的高浓度甲烷气体由产品气输出口输出。产品气中甲烷纯度能够达到90％以上，产品气中不纯物成分主要为二氧化碳，甲烷与二氧化碳的分离很容易进行，通过吸收或吸附都可以达到纯度达到99.0％以上的甲烷。填充塔内甲烷被置换后，通过进出气阀门切换，填充塔移动至二氧化碳解吸区，进行吸附剂再生。

二氧化碳真空解吸区：二氧化碳置换甲烷后，填充塔充满二氧化碳置换气，采用抽真空的方法解吸塔内二氧化碳，解吸真空压力为3kPa～15kPa，回收解吸得到的二氧化碳，并循环至二氧化碳置换区，用作置换气源。解吸后的填充塔，通过进出气阀门切换，移动至甲烷吸附区，循环吸附捕集甲烷。如果真空解吸压力较高，二氧化碳解吸效率不高时，建议添加真空氮气吹扫步骤，进一步提高二氧化碳解吸率，使吸附剂较好地再生。

传统的移动床技术是吸附剂和气体流动相逆流流动，吸附剂流动后，如流化床操作，微孔吸附剂容易破碎。本发明采用模拟移动床操作，填充塔内的吸附剂不流动，而是通过五个气体进出口在固定时间间隔切换移动一个填充塔，使填充塔中吸附剂相对于进出物料口位置移动，从而实现气体与吸附剂逆流过程，提高模拟移动床分离效率。低品质甲烷原料气输入口、氮气排出口、二氧化碳置换气输入口、高纯度甲烷产品气输出口以及解吸的二氧化碳回收口在固定时间间隔ts切换移动一个填充塔,如图4所示，10个塔连续操作，需要切换气体进出口10次，完成一个循环操作。

模拟移动床吸附分离工艺的有益效果：

本发明提供的一种模拟移动床吸附分离甲烷氮气制备高纯度甲烷的方法，克服了已有变压吸附技术的缺陷，具有如下优势：

(1)本发明采用多塔连续操作，五个气体输入输出口在固定时间间隔ts频繁切换移动一个填充塔，连续多次频繁切换，使吸附塔内吸附剂与气相能够形成逆流流动，提高相间传质推动力，塔内置换的甲烷峰变宽，甲烷气体浓度增高，强化CH₄/N₂分离。

(2)在甲烷吸附区，多塔串联操作，增加吸附剂填充高度，提高吸附捕集低品质甲烷的效率；每个塔填充高度相应缩短，每个塔单独真空解吸，将减少CO₂真空解吸压力降，使吸附剂再生效率提高。

(3)二氧化碳为工质气体并且循环使用，即保持了较高的关键组分分离系数，又通过置换使产品气甲烷达到很高的浓度和回收率。

(4)常温操作，可以选择带压或者近常压吸附与置换，活性炭、沸石、分子筛等商业吸附剂均可以选用。

(5)本发明适用于低品质甲烷气源中甲烷浓缩，如油田气、煤层气、页岩气、生物沼气、垃圾掩埋气以及其它涉及甲烷/氮气分离的体系，对改善能源结构和保护大气环境，具有重要的现实意义和战略意义。

(6)本发明得到的甲烷浓度高、收率高、分离条件温和，故可以较低的成本将低品质甲烷变成高品质的天然气燃料，产品气可利用管道输送，亦可装罐储存。

附图说明

图1是典型四区闭路溶剂循环的模拟移动床分离过程示意图。

图2在商业活性炭填充塔吸附10％CH₄气体后CO₂置换时塔顶流出气体组成。

图3高填充长度单塔内瞬间CH₄/N₂/CO₂浓度分布曲线及分割成多个串联小塔的模拟移动床构态示意图。

图4模拟移动床吸附分离甲烷氮气制备高纯度甲烷的循环操作

具体实施方式

以下提供本发明一种模拟移动床吸附分离甲烷氮气制备高纯度甲烷的方法具体实施方式。

模拟移动床体系是由十个吸附剂填充塔组成，每个填充塔的吸附剂填充高度应小于1米，以减少真空解吸二氧化碳时的床内压力降，提高吸附剂解吸率。填充的吸附剂可以是碳基吸附材料、沸石以及高硅分子筛的任一种材料；吸附剂的形貌可以是颗粒状、纤维状或蜂窝状。模拟移动床体系设有五个气体输入输出口，低品质甲烷原料气输入口、氮气排出口、二氧化碳置换气输入口、高纯度甲烷产品气输出口以及解吸的二氧化碳回收口。这五个气体输入输出口将相连接的多塔分成四个区，分别为甲烷吸附区、甲烷提浓区、二氧化碳置换区和二氧化碳真空解吸区，如图4所示。

根据甲烷和氮气分离要求，确定五个气体进出口沿着气相流动方向动态切换移动一个填充塔的时间间隔ts。模拟移动床操作时，填充塔内的吸附剂不流动，通过五个气体进出口在固定时间间隔ts频繁切换移动一个填充塔，使塔内吸附剂与气相形成逆流流动，提高甲烷氮气分离效率。对于十个塔相连接构成模拟移动床体系，五个气体进出口同步切换，每次切换移动一个塔，需要切换10次，才能完成一个循环操作。多次重复循环操作，模拟移动床将连续地吸附浓缩低浓度甲烷，获得高浓度甲烷产品气，具体操作步骤描述如此下：

1)在t＝0时，五个气体进出口沿着气相流动方向同步切换移动一个填充塔，开始模拟移动床新的循环操作。第一次同步阀门切换时间间隔0～ts内，如图4所示，低品质甲烷原料气从塔7低部输入，经过塔7、8和9吸附捕集甲烷，未吸附的氮气从塔9顶部排空。二氧化碳置换气从塔1底部输入，置换塔1、2和3中已经吸附的甲烷，得到的高纯度甲烷从塔3顶部流出。塔4、5和6为塔内甲烷提浓区，来自二氧化碳置换区的高浓度甲烷置换塔4、5和6内的氮气，置换出来的氮气被驱赶到甲烷吸附区，然后统一从塔9顶部排出。二氧化碳置换后的塔10进行真空解吸二氧化碳，回收解吸的二氧化碳，循环用作置换气。

2)在t＝ts时，五个气体进出口沿着气相流动方向同步切换移动一个填充塔，进入第二次阀门同步切换时间间隔ts～2ts内操作。

3)第二次阀门同步切换时间间隔ts～2ts内，二氧化碳解吸后的塔10进入甲烷吸附区，如图4所示，低品质甲烷原料气从塔8低部输入，经过塔8、9和10吸附捕集甲烷，未吸附的氮气从塔10顶部排空。二氧化碳置换气从塔2底部输入，置换塔2、3和4中已经吸附的甲烷，得到的高纯度甲烷从塔4顶部流出。塔5、6和7为塔内甲烷提浓区，来自二氧化碳置换区的高浓度甲烷置换塔5、6和7内的氮气，置换出来的氮气被驱赶到甲烷吸附区，然后统一从塔10顶部排出。二氧化碳置换后的塔1进行真空解吸二氧化碳，回收解吸的二氧化碳，循环用作置换气。

4)在t＝2ts时，五个气体进出口沿着气相流动方向同步切换移动一个填充塔，进入第三次阀门同步切换时间间隔2ts～3ts内操作。

5)第三次阀门同步切换时间间隔2ts～3ts内，二氧化碳解吸后的塔1进入甲烷吸附区，如图4所示，低品质甲烷原料气从塔9低部输入，经过塔9、10和1吸附捕集甲烷，未吸附的氮气从塔1顶部排空。二氧化碳置换气从塔3底部输入，置换塔3、4和5中已经吸附的甲烷，得到的高纯度甲烷从塔5顶部流出。塔6、7和8为塔内甲烷提浓区，来自二氧化碳置换区的高浓度甲烷置换塔6、7和8内的氮气，置换出来的氮气被驱赶到甲烷吸附区，然后统一从塔1顶部排出。二氧化碳置换后的塔2进行真空解吸二氧化碳，回收解吸的二氧化碳，循环用作置换气。

6)沿着气相流动方向，重复同步切换五个气体进出口至下一个填充塔，进入下一个时间间隔ts内操作。当t＝9ts时，进入第十次阀门同步切换时间间隔9ts～10ts内操作

7)第十次阀门同步切换时间间隔9ts～10ts内，二氧化碳解吸后的塔8进入甲烷吸附区，如图4所示，低品质甲烷原料气从塔6低部输入，经过塔6、7和8吸附捕集甲烷，未吸附的氮气从塔8顶部排空。二氧化碳置换气从塔10底部输入，置换塔10、1和2中已经吸附的甲烷，得到的高纯度甲烷从塔2顶部流出。塔3、4和5为塔内甲烷提浓区，来自二氧化碳置换区的高浓度甲烷置换塔3、4和5内的氮气，置换出来的氮气被驱赶到甲烷吸附区，然后统一从塔8顶部排出。二氧化碳置换后的塔9进行真空解吸二氧化碳，回收解吸的二氧化碳，循环用作置换气。

8)当进行第十一次同步切换五个气体进出口至下一个填充塔后，二氧化碳解吸后的塔9进入甲烷吸附区，塔10将进行二氧化碳真空解吸，如图4所示，分离***完成一次循环操作，循环至第一次阀门同步切换时间间隔操作，重复操作。

模拟移动床***操作温度为10℃～50℃，操作压力1.1atm～5.0atm，CO₂解吸真空压力为3kPa～15kPa，5v/v％～30v/v％甲烷含量的低品质气体通过模拟移动床吸附分离，能够得到90％以上的高品质甲烷气，甲烷回收率90％以上。

所述仅是本发明的优选方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围内。

本发明适用于低品质甲烷浓缩，包括油田气、煤层气、页岩气、生物沼气、垃圾掩埋气以及其它涉及甲烷/氮气分离的体系中低品质甲烷提浓，约10％甲烷通过模拟移动床吸附分离，能够获得90％纯度和90％回收率的高品质甲烷产品气。该方法常温操作，可以选择带压或近常压吸附与置换，活性炭、沸石、分子筛等商业吸附剂均可以选用，故可以较低的成本将低品质甲烷气浓缩成高品质的天然气。

Claims (10)

1.一种模拟移动床吸附分离甲烷氮气制备高纯度甲烷的方法，其特征在于，所述的模拟移动床体系是由多个吸附剂填充塔连接构成，并设有五个气体输入输出口，包括低品质甲烷原料气输入口、氮气排出口、二氧化碳置换气输入口、高纯度甲烷产品气输出口以及解吸的二氧化碳回收口；这五个气体输入输出口将相连接的多塔分割成四个区，分别为甲烷吸附区、甲烷提浓区、二氧化碳置换区和二氧化碳真空解吸区；

模拟移动床塔内吸附剂不流动，通过气体输入输出口在设定的时间间隔内沿气体流动方向同步切换移动一个填充塔，并连续多次循环切换移动，使塔内气体与吸附剂形成逆流流动；低品质甲烷原料气从所述甲烷吸附区的低品质甲烷原料气输入口进入，通过上述气体输入输出口频繁切换移动使每个填充塔依次进行低浓度甲烷吸附、甲烷置换氮气提浓塔内甲烷、二氧化碳置换塔内甲烷以及二氧化碳真空解吸操作，模拟移动床***连续地从低浓度甲烷原料气中吸附浓缩甲烷获得高纯度甲烷产品气；

模拟移动床***操作温度为10℃～60℃，所述甲烷吸附区、甲烷提浓区和二氧化碳置换区操作压力1.0atm～6.0atm，二氧化碳真空解吸区真空压力为2kPa～17kPa。

2.如权利要求1所述的一种模拟移动床吸附分离甲烷氮气制备高纯度甲烷的方法，其特征在于，所述甲烷吸附区、甲烷提浓区和二氧化碳置换区含有多个填充塔，并依次相互连接操作，通过阀门切换使吸附剂与气相形成逆流操作；所述二氧化碳真空解吸区为单塔独立运行，需要保持相同的切换时间，位于二氧化碳置换区后。

3.如权利要求1所述的一种模拟移动床吸附分离甲烷氮气制备高纯度甲烷的方法，其特征在于，所述甲烷吸附区是由低品质甲烷原料气输入口与氮气排出口之间构成的分离区；

所述的甲烷提浓区是由低品质甲烷原料气输入口与高纯度甲烷产品气输出口之间构成的分离区；

所述的二氧化碳置换区是由高纯度甲烷产品气输出口和二氧化碳置换气输入口之间构成的分离区；

在所述的二氧化碳真空解吸区内，二氧化碳置换甲烷后的填充塔进行真空吸附剂再生，解吸的二氧化碳回收循环使用，解吸真空压力为3kPa～15kPa，也包括添加真空吹扫步骤，提高二氧化碳解吸效率。

4.如权利要求1所述的一种模拟移动床吸附分离甲烷氮气制备高纯度甲烷的方法，其特征在于，所述的五个气体输入输出口同步切换时间间隔为30-300秒。

5.如权利要求1所述的一种模拟移动床吸附分离甲烷氮气制备高纯度甲烷的方法，其特征在于，所述填充塔数量为10～20个或更多；所述二氧化碳真空解吸区含有一个填充塔，所述甲烷吸附区、甲烷提浓区和二氧化碳置换区每区含有两至五个或更多填充塔。

6.如权利要求1或5所述的一种模拟移动床吸附分离甲烷氮气制备高纯度甲烷的方法，其特征在于，每个填充塔的吸附剂填充高度小于1米。

7.如权利要求6所述的一种模拟移动床吸附分离甲烷氮气制备高纯度甲烷的方法，其特征在于，所述的吸附剂选自碳基吸附材料、沸石以及高硅分子筛中的一种或多种。

8.如权利要求1所述的一种模拟移动床吸附分离甲烷氮气制备高纯度甲烷的方法，其特征在于，模拟移动床***操作温度为10℃～50℃，甲烷吸附区、甲烷提浓区和二氧化碳置换区操作压力1.1atm～5.0atm，二氧化碳真空解吸区真空压力为3kPa～15kPa。

9.如权利要求1所述的一种模拟移动床吸附分离甲烷氮气制备高纯度甲烷的方法，其特征在于，所述的低品质甲烷原料气主要为甲烷和氮气混合物，其甲烷含量5v/v％～30v/v％，水蒸气和二氧化碳含量控制小于1v/v％。

10.如权利要求1所述的一种模拟移动床吸附分离甲烷氮气制备高纯度甲烷的方法，其特征在于，所述得到的高纯度甲烷产品气中甲烷含量为90％以上。