活性炭國家專精特新“小巨人”企業活性炭產學研合作

　　天然氣在液化之前必須分離其中的次要烴組分以避免操作設備堵塞和影響產品質量。本期研究使用活性炭吸附天然氣中的次要烴，以保留甲烷的濃度與品質。但在非平衡實驗配置中，相對較少關注降低甲烷中輕質烴的濃度。為了更好地理解用于氣體加工應用的飽和烴競爭吸附的化學性質，我們研究了多種不同結構和化學固體吸附劑的輕烴動態吸附性質。通過吸附容量測量它們從甲烷中分離出較高分子量烴的能力。發現對于帶電框架，吸附劑和吸附質之間的誘導偶極矩對吸附能力起著最重要的作用。對于不帶電荷的骨架，孔徑在活性炭吸附中起關鍵作用：微孔比中孔更有效。為了分離甲烷，乙烷，丙烷和丁烷的混合物，還必須考慮吸附動力學。在所測試的材料中，蒸汽活化的活性炭在吸附和分離能力方面是比較好的。

　　通過吸附分離是一種為所需產品提供高選擇性的技術，是比較可靠的，并且具有與類似分離技術相當的資本成本和能量消耗。活性炭吸附已用于空氣分離，氣體脫水和CO 2分離等。很少有人研究含有飽和烴分子的混合物的動態分離，飽和烴具有相似的物理尺寸甲烷，乙烷和丙烷的動力學直徑都差不多。與不飽和烴不同，飽和烴分子中沒有一個與固體表面發生強烈的電子相互作用，因此研究它們的吸附行為更加困難。

　　動態吸附性實驗

　　在我們之前的工作中開發了吸附裝置來測量氣體穿透曲線(圖1)。它由三個主要部分組成：準備部分、吸附段和分析部分。在氣體制備部分中，吹掃氣體是高純度Ar氣體(99.999%)，其用于在引入烴氣體之前通過惰性氣體管線和反應器吹掃系統。吸附部分使用丙烷或乙烷在氦氣或人造氣體混合物，其通過燃料氣體管線和反應器。這兩條線都碰到了一個四端口交叉閥。整個裝置等溫(~26℃)。閥門位置，氣體流量，壓力和溫度完全自動化，并由內部程序控制。通過質譜儀分析和量化來自反應器出口的氣體。

　　圖1：我們工作中使用的動態吸附裝置的示意圖。

　　活性炭吸附劑

　　選擇活性炭吸附劑是因為它們具有高表面積，微孔體積和疏水性，這有利于碳氫化合物的吸附。我們的工作中選擇了五種活性炭用于丙烷吸附。活性炭1衍生自褐煤。活性炭2生自木材和蒸汽活化。活性炭3是蒸汽活性炭。活性炭4生自泥炭和蒸汽活化。活性炭5自煤并被蒸汽活化。所有活性炭的氮吸附等溫線如圖2a所示。所有碳都表現出I型等溫線。一些等溫線具有小的或沒有磁滯回線，表明活性炭的微孔性質(活性炭2和3)。其他的具有磁滯回線，揭示了更加異質的孔隙系統(活性炭1、4和5)。

　　圖2：(a)氮吸附等溫線，(b)活性炭樣品的C 3 H 8吸附結果，(c)吸附在活性炭中的氣體的卡通圖像。

　　所有碳吸附劑的丙烷吸附實驗結果如圖2b所示。所有碳的吸附曲線前沿非常陡峭，表明快速的吸附動力學和良好的有效床使用。所有的碳都具有非常相似的吸附曲線斜率，除了活性炭5，前面的陡峭度較低。這表明大多數活性炭中的丙烷吸附行為是相似的。計算所有活性炭上的丙烷吸附容量，遵循從最高容量到最低容量的趨勢如下：活性炭5>4>3>2>1。

　　乙烷吸附

　　我們研究了丙烷在幾種不同吸附劑上的吸附。通過獲得的結果，我們能夠確定每種吸附劑組的丙烷吸附的最佳材料(就吸附容量而言)。由于乙烷和丙烷是天然氣處理/純化過程中性質相似且最難分離的兩種組分，因此決定測試所選的吸附劑用于乙烷吸附。與丙烷吸附實驗中的情況一樣，對于所有測試的吸附劑，活性炭5顯示出對乙烷的最佳吸附容量。這歸因于其與其他材料相比更大的表面積和微孔體積。

　　天然氣分離

　　天然氣在所選吸附劑上的吸附和分離，通過吸附容量確定了天然氣在五種選定的良好吸附劑上的吸附行為的比較。通常，丁烷，丙烷在五種選定的活性炭吸附劑上保留的時間長于乙烷。乙烷和丙烷以及少量丁烷的吸附很少。其他都顯示出對所有碳氫化合物的良好吸附，首先是甲烷，乙烷第二，然后是丙烷，最后是丁烷，表明它們之間有很好的分離。但在目前的實驗條件下，活性炭在分離方面表現更好。0.54mol%的正丁烷從活性炭柱完全穿透需要3小時。活性炭顯示出比所有吸附劑更好的吸附行為，丙烷和特別是丁烷在3.5小時內從柱中穿透。

　　平常一般使用制冷循環而非固體吸附劑用于天然氣凈化加工。我們的研究經充分證明固體活性炭吸附材料可用于從天然氣中吸附和分離較重的碳氫化合物。實驗了乙烷，丙烷和丁烷在一系列活性炭吸附劑上的吸附和甲烷分離。選擇用于吸附和分離天然氣中烴組分的合適吸附劑的關鍵因素包括：骨架電荷、表面積和微孔體積和吸附動力學。對于沒有骨架電荷的吸附劑，吸附質和吸附劑相互作用降低為內在相互作用，其中活性炭孔徑在結合能中起關鍵作用。微孔比較大的中孔更有效地吸附丙烷。

　　在液化之前模擬天然氣組合物的吸附物氣體混合物的研究進一步證實了所選擇的良好吸附劑上的烴分離性質。吸附材料的循環行為被證明是優異的，并且在循環后觀察到很少的劣化。盡管活性炭通常不用于天然氣加工凈化，但是在這次研究的那些數據已經顯示出在化學組成中分離類似化合物的希望。

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