煤层气浓缩真空变压变温耦合吸附实验装置制造方法
【专利摘要】本实用新型公开了一种煤层气浓缩真空变压变温耦合吸附实验装置，包括配气系统、吸附系统、冷源供应系统、真空泵和气体收集及浓度检测系统，配气系统、真空泵和气体收集及浓度检测系统均与吸附系统连接，气体收集及浓度检测系统还与真空泵连接，冷源供应系统安装在吸附系统上，吸附系统包括并联设置的第一吸附塔和第二吸附塔，第一吸附塔和第二吸附塔的结构相同且均包括吸附管，吸附管上由内向外依次设有电加热套和保温炉，保温炉上设有用于测量吸附管内温度的热电偶，吸附管的出口安装有第一压力表。本实用新型将变压吸附和变温吸附集成一体，解决了采用变压吸附存在吸附剂性能较差、分离系数较低，以及变温吸附不能将甲烷很好提浓的问题。
【专利说明】煤层气浓缩真空变压变温耦合吸附实验装置
【技术领域】
[0001]本实用新型涉及一种实验装置，尤其是涉及一种煤层气浓缩真空变压变温耦合吸附实验装置。
【背景技术】
[0002]我国是一个产煤大国，煤层气储量十分丰富。据估计，深埋在2000m以内的煤层气储量为34.5万亿m3，占世界煤层气储量的12.5%，居世界第三。煤层气的主要成分是甲烷，其产生的温室效应是二氧化碳的21倍，对臭氧层的破坏是二氧化碳的7倍。据有关部门估算，全国煤矿低浓度煤层气对空排放量占全部工业生产甲烷排放量的1/3左右。在煤层气开采过程中，由于各种因素的制约，大量低浓度的煤层气遗留在矿井之中，成为煤矿安全生产的最大隐患。因此，如何高效利用煤矿瓦斯作为洁净的能源和化工原料具有重要的战略意义。
[0003]在煤层气的综合利用上，其关键点在于如何将低浓度乏气富集成高浓度矿物资源。变压吸附工艺是现今煤层气浓缩技术中的主流研究方向，其优势在于设备投资少、能耗低、吸附剂成本低等，但由于吸附剂性能较差对甲烷和氮气的分离系数较低，提浓甲烷的难度较大，从而制约着变压吸附的大规模应用。
[0004]变温吸附是利用吸附剂的平衡吸附量随温度的升高而降低的特性，采用低温吸附、高温脱附的操作方式。在甲烷吸附过程中，温度是影响甲烷吸附特征的主要物理参数，经测定表明，在压力为5MPa时，温度每升高1°C，甲烷吸附量下降0.12cm3/g ;煤炭科学研究总院重庆研究院的实验表明，温度每升高1°C，煤吸附甲烷的能力下降8%。因此，降低温度能够显著增加甲烷在吸附剂上的饱和吸附量，从而提高吸附剂对甲烷的分离特性，但是单纯的变温吸附也不能将甲烷很好的提浓。
实用新型内容
[0005]本实用新型的目的在于克服上述现有技术中的不足，提供一种煤层气浓缩真空变压变温耦合吸附实验装置，其将变压吸附和变温吸附两者集成一体，能有效解决现有技术采用单纯变压吸附方式存在吸附剂性能较差、分离系数较低，以及采用单纯变温吸附方式不能将甲烷很好提浓的问题，同时结构简单、设计合理、使用操作方便且浓缩效率好。
[0006]为实现上述目的，本实用新型采用的技术方案是:一种煤层气浓缩真空变压变温耦合吸附实验装置，其特征在于:包括配气系统、吸附系统、冷源供应系统、真空泵和气体收集及浓度检测系统，所述配气系统、真空泵和气体收集及浓度检测系统均与吸附系统连接，所述气体收集及浓度检测系统还与真空泵连接，所述冷源供应系统安装在吸附系统上，所述吸附系统包括并联设置的第一吸附塔和第二吸附塔，所述第一吸附塔和第二吸附塔的结构相同且均包括吸附管，所述吸附管上由内向外依次设置有电加热套和保温炉，所述保温炉上设置有用于测量吸附管内温度的热电偶，所述吸附管的出口安装有第一压力表，所述第一吸附塔的吸附管进口连接有第一电磁阀，所述第一吸附塔的吸附管出口连接有第二电磁阀，所述第二吸附塔的吸附管进口连接有第三电磁阀，所述第二吸附塔的吸附管出口连接有第四电磁阀，所述第一吸附塔的吸附管进口与第一电磁阀之间通过管道连接有第五电磁阀，所述第二吸附塔的吸附管进口与第三电磁阀之间通过管道连接有第六电磁阀，所述第五电磁阀和第六电磁阀通过第五手动阀与真空泵的进口连接，所述第一吸附塔的吸附管出口与第二电磁阀之间通过管道连接有第七电磁阀，所述第二吸附塔的吸附管出口与第四电磁阀之间通过管道连接有第八电磁阀，所述第七电磁阀与第八电磁阀连接。
[0007]上述的煤层气浓缩真空变压变温耦合吸附实验装置，其特征在于:所述冷源供应系统包括低温恒温槽、第一冷却环和第二冷却环，所述第一冷却环安装在第一吸附塔的吸附管与电加热套之间，所述第二冷却环安装在第二吸附塔的吸附管与电加热套之间，所述低温恒温槽通过第九电磁阀与第一冷却环的进口连接，所述第一冷却环的出口通过第十电磁阀与低温恒温槽连接，所述低温恒温槽通过第i^一电磁阀与第二冷却环的进口连接，所述第二冷却环的出口通过第十二电磁阀与低温恒温槽连接。
[0008]上述的煤层气浓缩真空变压变温耦合吸附实验装置，其特征在于:所述配气系统包括第一气路单元、第二气路单位和混气罐，所述第一气路单元和第二气路单位均由第一过滤器、稳压阀、质量流量计、第一止回阀和第二过滤器组成，所述第一过滤器、稳压阀、质量流量计、第一止回阀和第二过滤器通过管道依次相连接，所述第一气路单元和第二气路单位的第二过滤器均与混气罐连接，所述混气罐的顶部安装有第二压力表。
[0009]上述的煤层气浓缩真空变压变温耦合吸附实验装置，其特征在于:所述气体收集及浓度检测系统包括氮气收集器和甲烷收集器，所述氮气收集器依次通过甲烷检测器、三通阀、第二转子流量计和第四手动阀与第四电磁阀连接，所述甲烷收集器通过第二手动阀与真空泵的出口连接，所述甲烷收集器通过第三手动阀与三通阀连接。
[0010]上述的煤层气浓缩真空变压变温耦合吸附实验装置，其特征在于:所述混气罐依次通过第二止回阀、第一手动阀和第一转子流量计与第一电磁阀连接。
[0011]上述的煤层气浓缩真空变压变温耦合吸附实验装置，其特征在于:每个保温炉上的热电偶的数量为多个。
[0012]上述的煤层气浓缩真空变压变温耦合吸附实验装置，其特征在于:所述低温恒温槽为DC-3010低温恒温槽。
[0013]上述的煤层气浓缩真空变压变温耦合吸附实验装置，其特征在于:所述氮气收集器通过管道连接有第六手动阀，所述甲烷收集器通过管道连接有第七手动阀。
[0014]本实用新型与现有技术相比具有以下优点:
[0015]1、本实用新型将变压吸附和变温吸附两者集成一体，能有效解决现有技术采用单纯变压吸附方式存在吸附剂性能较差、分离系数较低，以及采用单纯变温吸附方式不能将甲烷很好提浓的问题，且浓缩效率好。
[0016]2、本实用新型能够实现低温高压吸附和高温低压解吸，使得甲烷富集量明显提高，有利于煤层气的进一步提浓，且为现有煤层气浓缩过程提供一种新的研究思路。
[0017]3、本实用新型结构简单、设计合理且使用操作方便，冷量来源广泛，能够灵活运用于装填不同种类吸附剂的循环实验中。
[0018]下面通过附图和实施例，对本实用新型做进一步的详细描述。
【专利附图】
【附图说明】
[0019]图1为本实用新型的结构示意图。
[0020]图2为图1的A处放大图。
[0021]附图标记说明:
[0022]1-1 一第一过滤器； 1-2—第二过滤器；2—稳压阀；
[0023]3一质量流量计； 4_1一第一止回阀；4_2—第二止回阀；
[0024]5一混气罐； 5-1—第二压力表；6-1—第一转子流量计；
[0025]6-2—第二转子流量计；7-1—第一冷却环；7-2—第二冷却环；
[0026]8—第一电磁阀； 9一第五电磁阀；1—第二电磁阀；
[0027]11一第七电磁阀； 12—第二电磁阀；13—第六电磁阀；
[0028]14一第四电磁阀； 15—第八电磁阀；16—第九电磁阀；
[0029]17—第十电磁阀； 18—第^^一电磁阀；19一第十二电磁阀；
[0030]20—保温炉； 21—电加热套；22—真空泵；
[0031]23 —甲烧检测器； 24—第四手动阀；25—二通阀；
[0032]26一氮气收集器； 27—第二手动阀；28—第二手动阀；
[0033]29—甲烷收集器； 30—吸附管；31—热电偶；
[0034]32一第一压力表； 33—低温恒温槽；34—第一手动阀；
[0035]35一第五手动阀； 36—第六手动阀；37—第七手动阀。
【具体实施方式】
[0036]如图1和图2所示，本实用新型包括配气系统、吸附系统、冷源供应系统、真空泵22和气体收集及浓度检测系统，所述配气系统、真空泵22和气体收集及浓度检测系统均与吸附系统连接，所述气体收集及浓度检测系统还与真空泵22连接，所述冷源供应系统安装在吸附系统上，所述吸附系统包括并联设置的第一吸附塔和第二吸附塔，所述第一吸附塔和第二吸附塔的结构相同且均包括吸附管30，所述吸附管30上由内向外依次设置有电加热套21和保温炉20，所述保温炉20上设置有用于测量吸附管30内温度的热电偶31，所述吸附管30的出口安装有第一压力表32，所述第一吸附塔的吸附管30进口连接有第一电磁阀8，所述第一吸附塔的吸附管30出口连接有第二电磁阀10，所述第二吸附塔的吸附管30进口连接有第三电磁阀12，所述第二吸附塔的吸附管30出口连接有第四电磁阀14，所述第一吸附塔的吸附管30进口与第一电磁阀8之间通过管道连接有第五电磁阀9，所述第二吸附塔的吸附管30进口与第三电磁阀12之间通过管道连接有第六电磁阀13，所述第五电磁阀9和第六电磁阀13通过第五手动阀35与真空泵22的进口连接，所述第一吸附塔的吸附管30出口与第二电磁阀10之间通过管道连接有第七电磁阀11，所述第二吸附塔的吸附管30出口与第四电磁阀14之间通过管道连接有第八电磁阀15，所述第七电磁阀11与第八电磁阀15连接。
[0037]如图1所示，所述冷源供应系统包括低温恒温槽33、第一冷却环7-1和第二冷却环7-2，所述第一冷却环7-1安装在第一吸附塔的吸附管30与电加热套21之间，所述第二冷却环7-2安装在第二吸附塔的吸附管30与电加热套21之间，所述低温恒温槽33通过第九电磁阀16与第一冷却环7-1的进口连接，所述第一冷却环7-1的出口通过第十电磁阀17与低温恒温槽33连接，所述低温恒温槽33通过第十一电磁阀18与第二冷却环7-2的进口连接，所述第二冷却环7-2的出口通过第十二电磁阀19与低温恒温槽33连接。本实施例中，所述低温恒温槽33采用西安比朗生物科技有限公司的DC-3010低温恒温槽，温度范围为-30?100°C，控温精度为±0.1°C，能够满足系统的冷量和精度需求；冷源采用10#硅油，采用罐装方式。
[0038]如图1所示，所述配气系统包括第一气路单元、第二气路单位和混气罐5，所述第一气路单元和第二气路单位均由第一过滤器1-1、稳压阀2、质量流量计3、第一止回阀4-1和第二过滤器1-2组成，所述第一过滤器1-1、稳压阀2、质量流量计3、第一止回阀4-1和第二过滤器1-2通过管道依次相连接，所述第一气路单元和第二气路单位的第二过滤器1-2均与混气罐5连接，所述混气罐5的顶部安装有第二压力表5-1。实验室中原料气甲烷和氮气均由钢瓶供气，经稳压阀2稳定气体压力后，通过质量流量计3控制气体流量，进入混气罐5配气。为了防止气体回流，在进入混气罐5前分别加装了第一止回阀4-1，第二压力表
5-1用于检测混合后气体的压力，稳定操作过程中的压力。
[0039]如图1所示，所述气体收集及浓度检测系统包括氮气收集器26和甲烷收集器29，所述氮气收集器26依次通过甲烷检测器23、三通阀25、第二转子流量计6-2和第四手动阀24与第四电磁阀14连接，所述甲烷收集器29通过第二手动阀28与真空泵22的出口连接，所述甲烷收集器29通过第三手动阀27与三通阀25连接。实验过程中，顶部富氮气体经三通阀25和甲烷检测器23，可以在线监测气体中甲烷浓度，监测后的气体进入氮气收集器26中储存；当实验结束后，打开第三手动阀27，旋转三通阀25，使甲烷收集器29中富甲烷气体通过甲烷检测器23，从而测出甲烷浓度。
[0040]如图1所示，所述混气罐5依次通过第二止回阀4-2、第一手动阀34和第一转子流量计6-1与第一电磁阀8连接。
[0041]如图1所示，每个保温炉20上的热电偶31的数量为多个，确保温度测量准确性。
[0042]如图1所示，所述氮气收集器26通过管道连接有第六手动阀36，便于氮气排空；所述甲烷收集器29通过管道连接有第七手动阀37，便于甲烷排空。
[0043]本实用新型的工作过程为:选择活性炭作为吸附剂装填于吸附管30内，装填高度以实际实验要求为准；关闭出口阀门，向系统通入一定压力的氮气，待压力恒定后，维持一小时，保证系统不漏气，以检查系统气密性；打开真空泵22，抽真空I?2两小时，使得吸附剂再生。然后配气，甲烷和氮气分别由钢瓶供气，分别经稳压阀2调节压力，由质量流量计3测定流量，在混气罐5内混合，混气罐5上设有第二压力表5-1，以便维持操作压力恒定，混合气体经第一转子流量计6-1以特定的流量进入吸附系统。第一吸附塔和第二吸附塔可按不同操作顺序保持吸附的连续性，用该实验装置浓缩模拟煤层气时，加压、低温时处于吸附状态，真空或常压、常温时进行脱附。塔内吸附压力由混气罐5控制，塔顶安装的压力表32可以实现压力的实时测量；另外吸附管30周围安装有冷却环，通过冷热液体的切换可以实现高低温操作的转换，且在保温炉20上设置有热电偶31可以实现吸附管30内温度的实时测量；冷却环外设置有保温炉20，大大降低了温度的散失。塔顶脱附气体由甲烷检测器23测定甲烷浓度，实时检测甲烷穿透情况，底部由真空泵22抽真空解吸模拟煤层气，由甲烷检测器23测定解吸浓度。
[0044]以上所述，仅是本实用新型的较佳实施例，并非对本实用新型作任何限制，凡是根据本实用新型技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、变更以及等效结构变换，均仍属于本实用新型技术方案的保护范围内。
【权利要求】
1.一种煤层气浓缩真空变压变温耦合吸附实验装置，其特征在于:包括配气系统、吸附系统、冷源供应系统、真空泵(22)和气体收集及浓度检测系统，所述配气系统、真空泵(22)和气体收集及浓度检测系统均与吸附系统连接，所述气体收集及浓度检测系统还与真空泵(22)连接，所述冷源供应系统安装在吸附系统上，所述吸附系统包括并联设置的第一吸附塔和第二吸附塔，所述第一吸附塔和第二吸附塔的结构相同且均包括吸附管(30)，所述吸附管(30)上由内向外依次设置有电加热套(21)和保温炉(20)，所述保温炉(20)上设置有用于测量吸附管(30)内温度的热电偶(31)，所述吸附管(30)的出口安装有第一压力表(32)，所述第一吸附塔的吸附管(30)进口连接有第一电磁阀(8)，所述第一吸附塔的吸附管(30)出口连接有第二电磁阀(10)，所述第二吸附塔的吸附管(30)进口连接有第三电磁阀(12)，所述第二吸附塔的吸附管(30)出口连接有第四电磁阀(14)，所述第一吸附塔的吸附管(30)进口与第一电磁阀(8)之间通过管道连接有第五电磁阀(9)，所述第二吸附塔的吸附管(30)进口与第三电磁阀(12)之间通过管道连接有第六电磁阀(13)，所述第五电磁阀(9)和第六电磁阀(13)通过第五手动阀(35)与真空泵(22)的进口连接，所述第一吸附塔的吸附管(30)出口与第二电磁阀(10)之间通过管道连接有第七电磁阀(11)，所述第二吸附塔的吸附管(30)出口与第四电磁阀(14)之间通过管道连接有第八电磁阀(15)，所述第七电磁阀(11)与第八电磁阀(15)连接。
2.按照权利要求1所述的煤层气浓缩真空变压变温耦合吸附实验装置，其特征在于:所述冷源供应系统包括低温恒温槽(33)、第一冷却环(7-1)和第二冷却环(7-2)，所述第一冷却环(7-1)安装在第一吸附塔的吸附管(30)与电加热套(21)之间，所述第二冷却环(7-2)安装在第二吸附塔的吸附管(30)与电加热套(21)之间，所述低温恒温槽(33)通过第九电磁阀(16)与第一冷却环(7-1)的进口连接，所述第一冷却环(7-1)的出口通过第十电磁阀(17)与低温恒温槽(33)连接，所述低温恒温槽(33)通过第十一电磁阀(18)与第二冷却环(7-2)的进口连接，所述第二冷却环(7-2)的出口通过第十二电磁阀(19)与低温恒温槽(33)连接。
3.按照权利要求1或2所述的煤层气浓缩真空变压变温耦合吸附实验装置，其特征在于:所述配气系统包括第一气路单元、第二气路单位和混气罐(5)，所述第一气路单元和第二气路单位均由第一过滤器(1-1)、稳压阀(2)、质量流量计(3)、第一止回阀(4-1)和第二过滤器(1-2)组成，所述第一过滤器(1-1)、稳压阀(2)、质量流量计(3)、第一止回阀(4-1)和第二过滤器(1-2)通过管道依次相连接，所述第一气路单元和第二气路单位的第二过滤器(1-2)均与混气罐(5)连接，所述混气罐(5)的顶部安装有第二压力表(5-1)。
4.按照权利要求1或2所述的煤层气浓缩真空变压变温耦合吸附实验装置，其特征在于:所述气体收集及浓度检测系统包括氮气收集器(26)和甲烷收集器(29)，所述氮气收集器(26)依次通过甲烷检测器(23)、三通阀(25)、第二转子流量计(6-2)和第四手动阀(24)与第四电磁阀(14)连接，所述甲烷收集器(29)通过第二手动阀(28)与真空泵(22)的出口连接，所述甲烷收集器(29)通过第三手动阀(27)与三通阀(25)连接。
5.按照权利要求3所述的煤层气浓缩真空变压变温耦合吸附实验装置，其特征在于:所述混气罐(5)依次通过第二止回阀(4-2)、第一手动阀(34)和第一转子流量计￠-1)与第一电磁阀⑶连接。
6.按照权利要求1或2所述的煤层气浓缩真空变压变温耦合吸附实验装置，其特征在于:每个保温炉(20)上的热电偶(31)的数量为多个。
7.按照权利要求2所述的煤层气浓缩真空变压变温耦合吸附实验装置，其特征在于:所述低温恒温槽(33)为DC-3010低温恒温槽。
8.按照权利要求4所述的煤层气浓缩真空变压变温耦合吸附实验装置，其特征在于:所述氮气收集器(26)通过管道连接有第六手动阀(36)，所述甲烷收集器(29)通过管道连接有第七手动阀(37)。
【文档编号】G01N33/00GK204116317SQ201420607320
【公开日】2015年1月21日 申请日期:2014年10月18日 优先权日:2014年10月18日
【发明者】杨志远, 宣自润, 王德超 申请人:西安科技大学