一种基于多孔材料的气体分离方法及分离系统

摘要

本发明公开了一种基于多孔材料的气体分离方法及分离系统，涉及混合气体分离技术领域，能够解决现有水合物分离过程不连续、分离系数低、反应速度慢等问题。该基于多孔材料的气体分离方法为，提供湿润的填充有多孔材料的反应通道，多孔材料的孔径为纳米级；将预处理后的混合气体通入反应通道内，混合气体中的待分离气体与多孔材料内的水/水溶液发生水合反应，生成水合物，剩余的气体排出，反应通道内的含水率保持在预设范围内；将反应通道内的水合物分解，得到提纯后的待分离气体。同时提出采用上述方法的分离系统。本发明提供的基于多孔材料的气体分离方法能够最大限度地增加了气‑水接触面积，提高水合物生成速度，同时提高了气体分离系数。

权利要求

1.一种基于多孔材料的气体分离方法，其特征在于，所述方法具体包括如下步骤：步骤A、提供湿润的填充有多孔材料的反应通道，所述多孔材料的孔径为纳米级,所述多孔材料为介孔材料，所述介孔材料的孔径为5～50nm；

步骤B、将待提纯的混合气体进行降温或加压处理；

步骤C、将预处理后的混合气体通入所述反应通道内，混合气体中的待分离气体与所述多孔材料内的水溶液发生水合反应，生成水合物，剩余的气体排出；

步骤D、待分离气体与水溶液的反应结束后，对反应通道进行加热或负压处理，反应通道内的水合物发生分解反应，得到提纯后的待分离气体；

步骤E、重复进行步骤C和步骤D；

所述反应通道还通过泵连接于储槽，所述储槽内容置有水溶液，在所述步骤C进行过程中，储槽内的水溶液通过泵泵入反应通道内，保证反应通道内的含水率维持在70％～80％；

所述反应通道外部设置有热交换器，所述热交换器的一端开有换热介质入口，另一端开有换热介质出口，通过热交换器对所述反应通道进行温度控制，在所述步骤D中，通过向所述热交换器内通入换热介质，使反应通道内的水合物快速分解。

2.根据权利要求1所述的一种基于多孔材料的气体分离方法，其特征在于：在步骤C中，进行所述水合反应时，所述反应通道内的温度为10～15℃；

在步骤D中，进行所述分解反应时，所述反应通道内的温度为25～30℃。

3.根据权利要求1所述的一种基于多孔材料的气体分离方法，其特征在于：在步骤C中，进行所述水合反应时，所述反应通道内的压力为0.5～1.0MPa；

在步骤D中，进行所述分解反应时，所述反应通道内的压力为-80～-100kPa。

4.根据权利要求1至3任一项所述的一种基于多孔材料的气体分离方法，其特征在于：在进行水合反应的过程中，所述反应通道内的含水率保持在70％～80％范围内。

5.根据权利要求1至3任一项所述的一种基于多孔材料的气体分离方法，其特征在于：所述待分离气体为甲烷、乙烷、乙烯、丙烷、异丁烷、正丁烷、氮气、二氧化碳、硫化氢、或氢气。

6.根据权利要求1至3任一项所述的一种基于多孔材料的气体分离方法，其特征在于：所述水溶液中含有用于增强溶液表面活性的促进剂和\或用于降低水合反应压力的促进剂。

7.一种基于多孔材料的气体分离系统，包括反应器，其特征在于：所述反应器内填充有湿润的填充有多孔材料的反应通道，所述多孔材料的孔径为纳米级，所述气体分离系统采用如权利要求1至6任一项所述的基于多孔材料的气体分离方法。

说明书

一种基于多孔材料的气体分离方法及分离系统

技术领域

[0001] 本发明涉及混合气体分离技术领域，尤其涉及一种基于多孔材料的气体分离方法以及采用该方法的分离系统。

背景技术

[0002] 混合气体的提纯与分离目前依然是该领域工程技术难题，利用混合气体中不同气体组分生成气体水合物的温度和压力条件的差异，通过控制反应条件，使混合气体在生成气体水合物过程中实现分离与提纯就是水合物分离技术。依靠水合物形成温压条件不同作为一种潜在的新型分离技术正迅速被同行关注和深入研究探索。气体水合物分离技术，无论从物理可行性，以及其在提高能源气体利用率方面，正显示出了巨大的潜力，且该技术适用范围广，可应用于甲烷、乙烷、乙烯、丙烷、异丁烷、正丁烷、氮气、二氧化碳、硫化氢、或氢气等气体的提纯。因此，它被视为未来能源可持续发展的重要技术之一，并且有可能取代目前高成本、高能耗的商业化分离技术。

[0003] 目前尽管水合物分离方法在实验室研究取得良好效果，在分离甲烷等可燃性气体具有优越的安全性能，然而由于水合物生成过程是气体与水反应生成固体的过程，生成的水合物需要再分解才能得到提纯气体，因此气体水合物在生成过程中气-水接触程度直接影响反应速度与分离系数与效率，目前的工艺通过喷淋、雾化和鼓泡等手段提高气-水接触，但这种宏观的强化手段效果有限，因此实现水合物分离气体的工业化应用必须克服这一难题。

发明内容

[0004] 本发明的一个目的是提出一种生产过程连续、工艺简单、能充分增加气-水接触面积、加快反应速度和提高分离系数的基于多孔材料的气体分离方法。

[0005] 本发明的再一个目的是提出一种使用安全可靠的基于多孔材料的气体分离方法。

[0006] 本发明的还一个目的是提出一种生产过程连续、工艺简单、能充分增加气-水接触面积、加快反应速度和提高分离系数的基于多孔材料的气体分离系统。

[0007] 为达此目的，一方面，本发明采用以下技术方案：

[0008] 一种基于多孔材料的气体分离方法，提供湿润的填充有多孔材料的反应通道，所述多孔材料的孔径为纳米级；

[0009] 将预处理后的混合气体通入所述反应通道内，混合气体中的待分离气体与所述多孔材料内的水/水溶液发生水合反应，生成水合物，剩余的气体排出，在此反应过程中，所述反应通道内的含水率保持在预设范围内；

[0010] 将所述反应通道内的水合物分解，得到提纯后的所述待分离气体。

[0011] 优选的，所述方法具体包括如下步骤：

[0012] 步骤A、提供湿润的填充有多孔材料的反应通道，所述多孔材料的孔径为纳米级；

[0013] 步骤B、将待提纯的混合气体进行降温或加压处理；

[0014] 步骤C、将预处理后的混合气体通入所述反应通道内，混合气体中的待分离气体与所述多孔材料内的水/水溶液发生水合反应，生成水合物，剩余的气体排出；

[0015] 步骤D、待分离气体与水/水溶液的反应结束后，对反应通道进行加热或负压处理，反应通道内的水合物发生分解反应，得到提纯后的待分离气体；

[0016] 步骤E、重复进行步骤C和步骤D。

[0017] 优选的，在步骤C中，进行所述水合反应时，所述反应通道内的温度为10～15℃；

[0018] 在步骤D中，进行所述分解反应时，所述反应通道内的温度为25～30℃。

[0019] 优选的，在步骤C中，进行所述水合反应时，所述反应通道内的压力为0.5～1.0MPa；

[0020] 在步骤D中，进行所述分解反应时，所述反应通道内的压力为-80～-100kPa。

[0021] 优选的，在进行水合反应的过程中，所述反应通道内的含水率保持在70％～80％范围内。

[0022] 优选的，所述待分离气体为甲烷、乙烷、乙烯、丙烷、异丁烷、正丁烷、氮气、二氧化碳、硫化氢、或氢气。

[0023] 优选的，所述多孔材料为介孔材料，所述介孔材料的孔径为5～50nm。

[0024] 优选的，所述水溶液中含有用于增强溶液表面活性的促进剂和\或用于降低水合反应压力的促进剂。

[0025] 另一方面，本发明采用以下技术方案：

[0026] 一种基于多孔材料的气体分离系统，包括反应器，所述反应器内填充有湿润的填充有多孔材料的反应通道，所述多孔材料的孔径为纳米级，所述气体分离系统采用如上所述的基于多孔材料的气体分离方法。

[0027] 本发明的有益效果为：

[0028] 本发明提供的基于多孔材料的气体分离方法，在反应通道内填充有湿润的多孔材料，多孔材料的孔径为纳米级且将反应通道内的含水率保持在预设范围内，最大限度地增加了气-水接触面积，提高水合物生成速度，同时提高了气体分离系数；

[0029] 该气体分离方法在反应过程中的压力和温度适宜且反应过程中始终有大量水参与，保证在处理含甲烷等可燃气体的混合气体时的安全性；

[0030] 采用水合反应提纯气体，只需混合气体中的组分在形成水合物时存在温度压力差异，适用范围广；

[0031] 本发明提供的基于多孔材料的气体分离系统采用上述的气体分离方法，最大限度地增加了气-水接触面积，提高水合物生成速度，同时提高了气体分离系数。

附图说明

[0032] 图1是本发明实施例一提供的基于多孔材料的气体分离系统的结构示意图。

[0033] 图中，1、气罐；2、压缩机；3、换热介质入口；4、储槽；5、泵；6、反应器；7、换向阀；8、换热介质出口；9、进气口；10、出气口；11、分离气体管；12、尾气管；13、水溶液入口。

具体实施方式

[0034] 下面结合附图并通过具体实施方式来进一步说明本发明的技术方案。

[0035] 本发明提供了一种基于多孔材料的气体分离方法，该方法为，提供湿润的填充有多孔材料的反应通道，多孔材料的孔径为纳米级；将预处理后的混合气体通入反应通道内，混合气体中的待分离气体与多孔材料内的水/水溶液发生水合反应，生成水合物，剩余的气体排出，在此反应过程中，反应通道内的含水率保持在预设范围内；将反应通道内的水合物分解，得到提纯后的待分离气体。由于多孔材料的孔径为纳米级且将反应通道内的含水率保持在预设范围内，最大限度地增加了气-水接触面积，提高水合物生成速度，同时提高了气体分离系数。

[0036] 实施例一：

[0037] 本实施例提供了一种基于多孔材料的气体分离方法，该方法具体包括如下步骤：

[0038] 步骤A、提供湿润的填充有多孔材料的反应通道，多孔材料的孔径为纳米级，于本实施例中，多孔材料采用介孔材料，进一步的，介孔材料的孔径为5～50nm；

[0039] 步骤B、将待提纯的混合气体进行降温或加压处理，以保障水合物生成过程的快速进行，于本实施例中，加压至0.5～1.0Mpa或降温至5～10℃，该压力和温度范围能够获得较快的反应速度；

[0040] 步骤C、将预处理后的混合气体通入反应通道内，混合气体中的待分离气体与多孔材料内的水/水溶液发生水合反应，生成水合物，剩余的气体排出，在此过程中，将反应通道内的含水率保持在70％～80％范围内，温度维持在10～15℃，压力维持在0.5～1.0Mpa；

[0041] 步骤D、待分离气体与水/水溶液的反应结束后，对反应通道进行加热或负压处理，反应通道内的水合物发生分解反应，得到提纯后的待分离气体，在此过程中，将反应通道内的温度维持在25～30℃，压力维持在-80～-100kPa；

[0042] 步骤E、重复进行步骤C和步骤D。

[0043] 为加快反应速度，可在水溶液中添加用于增强溶液表面活性的促进剂和\或用于降低水合反应压力的促进剂，例如，添加浓度为300ppm的十二烷基硫酸钠以增强溶液表面活性，或者添加有摩尔比为1：17的四氢呋喃以降低反应压力等等。当然，水溶液中添加的增强溶液表面活性的促进剂不局限于十二烷基硫酸钠，能够达到增强溶液的表面活性即可；降低反应压力的促进剂也不局限于四氢呋喃，亦可添加四丁基溴化铵等其他降低反应压力的促进剂。

[0044] 实施例二：

[0045] 本实施例为煤矿工作面抽放瓦斯的分离系统，待分离气体为甲烷。其结构如图1所示，包括反应器6，反应器6内填充有经水溶液润湿的介质材料SBA-15，其孔径为7nm。水溶液中添加浓度为300ppm的十二烷基硫酸钠以增强溶液表面活性，或者添加有摩尔比为1：17的四氢呋喃以降低反应压力。

[0046] 反应器6上设置有进气口9和出气口10，进气口9经管路依次连接有压缩机2和气罐1，出气口9经管路连接有换向阀7，换向阀7的入口端与出气口9连接，换向阀7的两个出口端分别连接分离气体管11和尾气管12，通过换向阀7的换向可控制出气口9出来的气体进入分离气体管11或尾气管12。其中，压缩机2用于对混合气体加压，当然，压缩机2也可替换成冷却器，通过冷却器对气体降温。

[0047] 反应器6的外部设置有热交换器，热交换器的一端开有换热介质入口3，另一端开有换热介质出口8，通过热交换器对反应器6进行温度控制。

[0048] 进一步的，反应器6上还可有水溶液入口13，水溶液入口13经管路依次连接泵5和储槽4，储槽4内容置有水溶液，通过泵5将储槽4内的水溶液泵入反应器6内，以保证反应器6内的含水率维持在70％。

[0049] 该气体分离系统的具体工作过程如下：

[0050] 混合气体的组成为：氧气18.12％，氮气64.43％，甲烷16.21％，其它1.24％。

[0051] (1)气罐1中的混合气体经压缩机2预先加压至0.5MPa或经冷却器冷却至5℃，然后经进气口9进入反应器6内；

[0052] (2)混合气体进入反应器6后，其中的甲烷与介孔材料孔道内的水/水溶液进行水合反应生成甲烷水合物晶粒，而其他气体则经换向阀7进入尾气管12排出；

[0053] (3)反应器6内的水合反应结束后，向热交换器内通入换热介质，使反应器内的温度保持在25°，甲烷水合物晶粒快速分解，分解出的甲烷气体经换向阀7进入分离气体管11被收集起来；

[0054] (4)反应器6内的分解反应结束后，通过气罐1继续向反应器6内通混合气体，进行新一轮的提纯。

[0055] 本优选实施例的最终采气中，甲烷浓度达到65％，尾气中甲烷浓度8.1％，回收率达到88％。

[0056] 实施例二仅以含有甲烷的混合气体阐述原理，本发明提供的基于介孔材料的气体分离方法及分离系统不仅可以提纯甲烷等常见能源气体，还适用于甲烷、乙烷、乙烯、丙烷、异丁烷、正丁烷、氮气、二氧化碳、硫化氢、氢气等其它气体的提纯，只需混合气体中的组分在形成水合物时存在温度压力差异，如化工、石化、冶金生产过程中的天然气除杂、烟道气、尾气与垃圾填埋气等，适用范围广。

[0057] 以上结合具体实施例描述了本发明的技术原理。这些描述只是为了解释本发明的原理，而不能以任何方式解释为对本发明保护范围的限制。基于此处的解释，本领域的技术人员不需要付出创造性的劳动即可联想到本发明的其它具体实施方式，这些方式都将落入本发明的保护范围之内。