專利名稱：一種從含氧煤層氣中提純分離甲烷的方法
技術領域：
本發(fā)明涉及從含氧煤層氣中安全提純分離曱烷的方法，屬于混合氣體 分離純化技術領域。
背景技術：
煤層氣屬于非常規(guī)天然氣，即煤在形成和演化過程中生成的、沒有經(jīng) 過運移、以吸附狀態(tài)存在于煤層內(nèi)的天然氣。煤層氣的主要成份為曱烷、 氮氣和氧氣，是一種清潔和高熱值的能源。我國煤層氣資源非常豐富，基
本儲量與常規(guī)天然氣相當。煤層氣有兩種抽采方式 一種是地面抽采，其 煤層氣中甲烷純度高，可以達到98%左右。這種煤層氣利用價值比較高， 可以直接加壓進行管網(wǎng)輸運，也可以直接進行液化儲運。但是更為廣泛的
出來的煤層氣當中甲烷含量較低，通常在30% ~70%之間。在相當長的一 段時期內(nèi)，我國煤礦開采過程當中， 一直依賴礦井下抽采，煤層氣，即
從礦井煤層氣中分離提純曱烷氣體對于擴展和提高煤層氣的有效利 用率和經(jīng)濟價值具有重要意義。我國煤層氣具有數(shù)量巨大，產(chǎn)地分散、單 井規(guī)模小，且井下抽采氣濃度低并含氧等特點，必須有安全、經(jīng)濟的分離 儲運技術才能充分合理利用。
目前可以應用于從煤層氣中分離提純曱烷的方法一般有低溫液化分 離、變壓吸附及膜分離等工藝方案，每種技術方案均具有自己的特色且具 有各自的應用范圍。但是對于分離處理類似礦井煤層氣這種含氧可燃混合 物時，安全問題成為所有分離技術必須考慮的問題。甲烷是一種可燃氣體， 與空氣混合存在一個爆炸濃度范圍，在常溫常壓下為5%~15%。這個濃 度范圍會隨著壓力和溫度的變化而改變，其中溫度升高和壓力升高均會使 爆炸濃度范圍擴大。從礦井煤層氣，即空氣和曱烷的混合物中分離提純曱烷，無論起始混合物中甲烷濃度有多高，隨著甲烷的分離減少，在系統(tǒng)內(nèi) 均會穿過爆炸濃度范圍，這對于任何分離提純系統(tǒng)均是非常危險的。
目前，對低溫液化分離、變壓吸附及膜分離等各種氣體分離技術應用 于從煤層氣中提純曱烷的技術報道較為少見。其中中國專利申請
200610080889.4、 200610103425.0公開了 一種針對含氧煤層氣液化分離的 工藝流程，采用低溫精餾和分餾措施可以實現(xiàn)從含氧煤層氣中提純曱烷， 并且可以獲得較高純度的氮氣，可補充到制冷系統(tǒng)當中。然而在實際操作 過程中，由于在提純的過程中，曱烷的濃度不斷降低，氧氣的濃度不斷升 高，可能存在含氧煤層氣的溫度達到甲烷的爆炸點，這就可能造成混合氣 體的爆炸，該專利申請并沒有具體涉及到如何解決安全問題的技術方案， 而且流程要對含曱烷尾氣進一步分離制氮，會在系統(tǒng)中出現(xiàn)液態(tài)空氣、富 氧液態(tài)和氣態(tài)氧，存在更多的危險性，也沒有對此提出解決方案。中國專 利申請200410040155.4也公開了 一種采用低溫液化分離煤層氣提純曱烷 的方案，其中提及了要對原料煤層氣進行深度脫氧處理后才可以進行低溫 液化分離。對于分離工藝中所采用的變壓吸附和膜分離工藝來說，在分離 工藝流程中需要對原料氣進行加壓，這顯著擴大了煤層氣的爆炸濃度范 圍，因此采取脫氧或者其他安全措施是必要的。對于煤層氣中脫氧目前的 技術手段有催化氧化和化工轉(zhuǎn)化等方法，但是深度脫氧具有成本高或者 是技術經(jīng)濟性不好、技術成熟度不夠等問題，對含較多氧的煤層氣中、低 濃度煤層氣尚未見到工業(yè)規(guī)模的應用實例。
根據(jù)燃燒理論，曱烷等可燃氣體一氧氣一惰性氣體混合物存在一個最 小的燃爆氧濃度，其對應的點稱為燃爆臨界點，其與可燃氣體一氧氣混合 物的爆炸上、下限濃度點構(gòu)成了一個三角形，只有當混合物濃度范圍處于 此爆炸三角形內(nèi)，系統(tǒng)才有可能發(fā)生爆炸。在《煤礦瓦斯災害防治及利用 技術手冊》2005年的第120頁，公開了圖1的甲烷一空氣爆炸三角形示意 圖，此圖通常稱為Coward爆炸三角形，圖中將整個濃度范圍劃分為I、 II、 III和IV四個區(qū)域。實際上，此四個區(qū)域的劃分與混合物濃度、壓力及溫 度均有關系。結(jié)合圖2典型的混合氣體低溫分離流程進一步說明。原料氣 首先進入制冷系統(tǒng)逐步降溫直至部分組份變?yōu)橐后w，進入精餾系統(tǒng)分離為 尾氣和液態(tài)純曱烷。根據(jù)需要，尾氣也可返回制冷系統(tǒng)回收冷量后排出或 進入下一級進行進一步的分離。此流程中的精餾系統(tǒng)可由一個氣液分離器 和氣提塔所替代。液態(tài)產(chǎn)品直接以低溫液態(tài)或通過制冷系統(tǒng)回收冷量后以氣態(tài)輸出。
低溫分離的特點是通過適當流程，可以實現(xiàn)在氣態(tài)物料中高沸點的 被分離組份連續(xù)逐步減少，轉(zhuǎn)變?yōu)榈秃头悬c成份的液態(tài)，而更低沸點組 份的總量則基本不變。當原料入口組份濃度處于以系統(tǒng)中最危險點溫度、 壓力確定的坐標區(qū)域的II區(qū)時，深度低溫分離過程總是要穿越I區(qū)。低溫 分離過程中所有點的產(chǎn)出物(液相和氣相)的組份濃度可由混合物組份和 濃度、當?shù)貕毫蜏囟扔上嗥胶庥嬎憬Y(jié)合物料平衡方法精確獲得。當被分 離組份與剩余組份沸點相差較大時，在系統(tǒng)壓力確定后，系統(tǒng)中任何點氣 相的組份濃度可僅由當?shù)販囟容^為準確地確定。利用低溫分離的上述特點 形成本發(fā)明技術方案的核心思想是通過對原料氣濃度狀態(tài)點判斷和控制 液化分離最低溫度將分離過程中所有點的氣相中曱烷的濃度均控制在爆 炸三角形，即I區(qū)以外。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種防止含氧煤層氣在分離過程中爆炸的方法。 該含氧煤層氣的分離是低溫分離方法，在該分離過程中，通過對含氧煤層 氣的原料氣濃度狀態(tài)點判斷和對原料氣混入一定比例的不可燃物而使分 離過程始終處于爆炸三角形以外，從而實現(xiàn)從含氧煤層氣中安全分離提純 曱烷的方法。
下文中的"分離系統(tǒng)"包括制冷系統(tǒng)、精餾系統(tǒng)和它們之間的連接管 道構(gòu)成的整個系統(tǒng)。
本發(fā)明提供了 一種從含氧煤層氣中安全提純分離曱烷的方法，包括以 下步驟首先對含氧煤層氣的原料氣進行降溫，接著對所述的含氧煤層氣 進行精餾處理，即得經(jīng)分離提純的甲烷，其中，
a) 檢測原料氣中的曱烷的初始體積濃度/;
b) 以甲烷的體積濃度r為橫坐標，氧的體積濃度義為縱坐標，用于 建立針對分離工藝流程中的含氧煤層氣的坐標區(qū)域，并確定含氧煤層氣在 初始狀態(tài)下對應的坐標區(qū)域中的爆炸三角形；
c) 當/位于坐標區(qū)域的欠氧區(qū)時，向待降溫的原料氣中添加不可燃 物，不可燃物的添加量滿足以下關系12/+乂2(100 —/)"^—100,其 中，I是混入的不可燃物與原料氣的摩爾比，乂2是原料氣中氧氣的初始體積濃度，/是分離工藝流程中最易發(fā)生爆炸位置處對應坐標區(qū)域中的臨界
爆炸點的曱烷體積濃度，是分離工藝流程中最易發(fā)生爆炸位置處對應
坐標區(qū)域中的臨界爆炸點的氧氣體積濃度；
d)保持不可燃物的比例，從添加不可燃物的原料氣中安全分離甲烷。 優(yōu)選地，所述的含氧煤層氣的坐標區(qū)域是通過以下方法建立的
a) 將坐標橫軸與坐標縱軸的交點O (0， O)確定為坐標原點，曱烷的 體積濃度為100%,氧體積濃度為0的點確定為B點，氧的體積濃度為 100%,曱烷的體積濃度為0的點確定為A;
b) 連接點A、 O、 B組成分離工藝流程中的含氧煤層氣的坐標區(qū)域。 所述的含氧煤層氣在初始狀態(tài)下的爆炸三角形是通過以下方法建立
的
a) 曱烷和空氣的混合氣體在精餾處理中的直線方程；r;4.7SJXo:+"0 與坐標縱軸的交點為Ap由連接點A,、 B組成曱烷和空氣的混合氣體直 線方程A!B, I&表示氧氣的體積濃度，r表示曱烷的體積濃度；
b) 將常溫常壓下曱烷和空氣的混合氣體的爆炸下限點Z、爆炸上限點 r和臨界爆炸濃度點7V相連接，組成常溫常壓下含氧煤層氣的爆炸三角形 ZJ>W，丄7V為常溫常壓下含氧煤層氣的爆炸下限線，PW為常溫常壓下含氧 煤層氣的爆炸上限線；
c) 通過在非常溫常壓下，含氧煤層氣在初始狀態(tài)下的爆炸下限點丄p
爆炸上限點F;分別作ZJV和W的平行線，兩平行線相交于A^點，則三角 形丄/PW。為在初始狀態(tài)下的含氧煤層氣的爆炸三角形，丄/A^為在初始狀態(tài) 下的含氧煤層氣的爆炸下限線，PV^為在初始狀態(tài)下的含氧煤層氣的爆炸 上限線；
d) 將A^^延長與AB相交于Z。，將7V。F;延長與AB相交于F。，連接 點丄。、^和A^，得到含氧煤層氣在坐標區(qū)域中的爆炸三角形丄o^Wo。
優(yōu)選地，所述的分離工藝流程中最易發(fā)生爆炸位置處對應坐標區(qū)域中 的臨界爆炸點是通過以下方法獲得的
a) 曱烷和空氣的混合氣體在精餾處理中的直線方程r=4.7<S5X02+ 與坐標縱軸的交點為Ap由連接點A、B組成曱烷和空氣的混合氣體直 線方程A!B, X&表示氧氣的體積濃度，r表示甲烷的體積濃度；
b) 將常溫常壓下曱烷和空氣的混合氣體的爆炸下限點丄、爆炸上限點 F和臨界爆炸濃度點iV相連接，組成常溫常壓下含氧煤層氣的爆炸三角形ZJV為常溫常壓下含氧煤層氣的爆炸下限線，F(xiàn)AA為常溫常壓下含氧 煤層氣的爆炸上限線；
c)通過在非常溫常壓下，分離工藝流程中最易發(fā)生爆炸位置處的溫度 和壓力下曱烷和空氣的混合氣體的爆炸下限點丄2、爆炸上限點^分別作 丄iV和跟的平行線，兩平行線相交于No，點，該點為分離工藝流程中最 易發(fā)生爆炸位置處對應坐標區(qū)域中的臨界爆炸點。
優(yōu)選地，所述的曱烷是通過以下方法從含氧煤層氣中分離獲得的含 氧煤層氣的原料氣首先進入制冷系統(tǒng)降溫，接著所述的含氧煤層氣進入精 餾系統(tǒng)進行精餾處理，從精餾系統(tǒng)頂部流出尾氣，純曱烷從精餾系統(tǒng)底部 流出。
的物質(zhì)。
更優(yōu)選地，所添加的不可燃物為氮氣、氦氣或氖氣中的一種或者幾種。 最優(yōu)選地，所添加的不可燃物為氮氣。
優(yōu)選地，所述的分離工藝流程中最易發(fā)生爆炸的位置處為接近精餾系 統(tǒng)出口的位置處。
具體地，最易發(fā)生爆炸的位置處通過本領域的技術人員模擬精餾塔內(nèi) 的氣體和液體的濃度分布，并且結(jié)合精餾塔內(nèi)的各個塔板的溫度和壓力按 照本文介紹的方法計算最低臨界濃度值對應的分離工藝流程中的位置為 該流程中最易發(fā)生爆炸的位置處。
優(yōu)選地，所述的精餾系統(tǒng)為精餾塔。
本發(fā)明的發(fā)明人驚奇地發(fā)現(xiàn)，含氧煤層氣的爆炸三角形的爆炸上、下 限值對本發(fā)明的實施至關重要，而含氧煤層氣的爆炸三角形受組份、溫度 和壓力等因素的影響。結(jié)合文獻實測數(shù)據(jù)，本申請給出了常溫常壓下含氧 煤層氣的爆炸三角形的計算方法，結(jié)合圖4進一步解釋。
所述的爆炸三角形通過以下方法建立 (I)首先建立含氧煤層氣的坐標區(qū)域
a) 將坐標橫軸與坐標縱軸的交點O (0, O)確定為坐標原點，曱烷的 體積濃度為100%,氧體積濃度為0的點確定為B點，氧的體積濃度為 100%,曱烷的體積濃度為0的點確定為A;
b) 連接點A、 O、 B組成分離工藝流程中的含氧煤層氣的坐標區(qū)域。 (II)接著建立常溫常壓下的含氧煤層氣的爆炸三角形在常溫常壓條件下，曱烷-氧-氮氣爆炸三角形圖如圖4所示。對于公 知的曱烷氣體與空氣(氮氧混合物)形成的混合物在精餾系統(tǒng)中的濃度坐
標點位于直線①上，該直線方程為7 = _4.785.義。2+100。 y表示混合氣體
中的曱烷的體積濃度，；^2表示混合氣體中的(92的體積濃度。常溫常壓條
件下，曱烷氣體與空氣形成的混合物的爆炸下限點丄(5.0, 19.88)，爆炸 上限點F(15.0， 17.79),臨界爆炸濃度點〃(5.18, 9.47)。常溫常壓條件 下，含氧煤層氣，即任意比例的曱烷、氮氣和氧氣的爆炸三角形為丄7VF， 為常溫常壓下含氧煤層氣的爆炸下限線，WV為常溫常壓下含氧煤層氣 的爆炸上限線。見《煤礦瓦斯災害防治及利用技術手冊》2005年的第120 頁。
由于該氣體中存在以下關系r+F^+Z。=706>,其中r表示混合氣體 中的曱烷的體積濃度，4表示該氣體中的W的體積濃度，X&表示該氣 體中的02的體積濃度。由于空氣中的7V2和02之間公知的比例關系，可以 得到如下式中的氧氣不同含量Z02下的含氧煤層氣的爆炸下限線的關系 式
L，LN: 1^5.3"-隨73X^ (1) 圖中氧氣不同含量下的含氧煤層氣的爆炸上限線的關系式如下 V，VN:河，X".0 (2) 式(1)和式(2)中的7表示含氧煤層氣中的曱烷的體積濃度，義02 表示含氧煤層氣中的(92的體積濃度。
(III )含氧煤層氣在初始狀態(tài)下對應的坐標區(qū)域中的爆炸三角形的建 立方法
本申請的發(fā)明人經(jīng)過反復研究，給出了含氧煤層氣的爆炸三角形的計 算方法，結(jié)合圖5進一步解釋。不同溫度和壓力條件下，含氧煤層氣的爆 炸三角形會受到含氧煤層氣混合物壓力和溫度的影響。在一定溫度下，壓 力越高爆炸三角形面積越大；在一定壓力下，溫度越低爆炸三角形面積越 小。爆炸三角形近似地由爆炸上限點、爆炸下限點和臨界爆炸濃度點三點 的連線確定。
下式(3)是含氧煤層氣的爆炸下限方程，下式(4)是含氧煤層氣的 爆炸上限方程。從下式(3)可以看出，含氧煤層氣的爆炸下限基本不受 壓力影響，受到溫度的影響。從下式(4)可以看出，含氧煤層氣的爆炸 上限同時受溫度和壓力影響。對于不同溫度和壓力下含氧煤層氣的混合氣體的爆炸上限和下限分別可按式(3)和式(4)計算
<formula>formula see original document page 11</formula>
(4)
其中
K。 = 0.325 exp(0.23P/尸o)+ 15.35 c = 一O. 104 exp(—0.313i5 /戶0) + 0.16
P0 = 0.1MPa Z0=25°C
式(3)中的r表示爆炸下限的含氧煤層氣中的曱烷體積濃度，式(4)中 的r表示爆炸上限的含氧煤層氣中的曱烷體積濃度。r表示該氣體的溫度， 尸表示該氣體的壓力。F"尸。.c為中間參數(shù)。
由于曱烷氣體與空氣(氮氧混合物)形成的含氧煤層氣混合物在精餾 系統(tǒng)中的濃度坐標點位于直線①上y=-4 7S5^o2+76^，曱烷和空氣的混合 氣體在精餾系統(tǒng)中的直線方程7二4 7S5Xo2+7M與坐標縱軸的交點為A。 由連接點A!、 B組成甲烷和空氣的混合氣體直線方程A!B, X&表示氧氣 的體積濃度，r表示曱烷的體積濃度；
對于分離系統(tǒng)中的某一個確定的溫度和壓力，在本發(fā)明中指含氧煤層 氣的初始狀態(tài)，該狀態(tài)下的含氧煤層氣的溫度和壓力是確定的。通過公式 (3)和直線①的方程，得出原料氣的初始狀態(tài)下的含氧煤層氣的爆炸下 限點再通過該狀態(tài)下的溫度、壓力、公式(4)和直線①的方程，得 出該狀態(tài)下的爆炸上限點K。本申請發(fā)明人發(fā)現(xiàn)不同溫度和壓力下的含氧 煤層氣，即任意比例的曱烷、氮氣和氧氣的爆炸下限線和爆炸上限線平 行于常溫常壓下的含氧煤層氣的爆炸下限線和爆炸上限線，分別通過^ 和F;點作L，LN和V'VN的平行線，兩平行線的交點N(j。將A^:;延長與 AB相交于丄o,將A^^延長與AB相交于連接點"、K和iVo,得到 含氧煤層氣在原料氣的初始狀態(tài)下的未添加不可燃物時對應的坐標區(qū)域 中的爆炸三角形iV^為該溫度和壓力條件下，含氧煤層氣的爆炸 下限線，fW。為該溫度和壓力條件下，含氧煤層氣的爆炸上限線。該爆炸 三角形的建立方法同樣也適用于精餾系統(tǒng)中的任一位置處的爆炸三角形 的建立。
另外，對于非常溫常壓下的某一位置處曱烷和空氣混合氣體的爆炸下限點￡;、爆炸上限點)^也可以通過爆炸界限實驗獲取，實驗方法可以參 照本領域公知的曱烷和空氣的混合氣體的爆炸實驗。
(IV)分離工藝流程中最易發(fā)生爆炸位置處對應坐標區(qū)域中的臨界爆 炸點是通過以下方法獲得
已知分離工藝流程中最易發(fā)生爆炸位置處的溫度和壓力代入公式(3 ) 和公式(4)和直線①的方程，得到分離工藝流程中最易發(fā)生爆炸位置處
曱烷和空氣混合氣體的爆炸下限點丄2、爆炸上限點K,過丄2和^分別作
丄W和FAA的平行線，兩平行線相交于AV點，該點即為分離工藝流程中 最易發(fā)生爆炸位置處對應坐標區(qū)域中的臨界爆炸點，臨界爆炸點的曱烷體 積濃度/以及氧氣體積濃度少;2可以從坐標軸上對應的坐標獲得。
本發(fā)明中的從含氧煤層氣中安全提純分離曱烷的工藝方法也可以擴 展到從混合氣體中分離提純可燃氣體。在分離提純可燃氣體時，需要根據(jù) 被分離的可燃氣體中的可燃物與曱烷體積當量濃度之間的關系對直線方 程①進行換算，再按照上述的方法，確定在非常溫常壓下的任意一種混合 氣體的坐標區(qū)域，以及其中的爆炸三角形。
在這個分離系統(tǒng)中，所述的最易發(fā)生爆炸的位置處優(yōu)選為接近精餾系 統(tǒng)出口的位置處。具體地，最易發(fā)生爆炸的位置處通過本領域的技術人員 模擬精餾塔內(nèi)的氣相和液相的濃度分布，并且結(jié)合精餾塔內(nèi)的各個塔板的 溫度和壓力，按照本文介紹的公式(3)和公式(4)計算得到的最低臨界 濃度值對應的位置為最易發(fā)生爆炸的位置處。
在本發(fā)明中，通過向含氧煤層氣中混入一定比例的不可燃物而使分離 過程始終處于爆炸三角形的爆炸區(qū)域以外的工藝方法。在該工藝方法中， 通過判斷含氧煤層曱烷的初始體積濃度/,通過上述的技術方案計算含氧 煤層氣在初始狀態(tài)下的爆炸三角形，并將含氧煤層氣的坐標區(qū)域劃分I、 II、 III和IV四個區(qū)域。當含氧煤層氣的初始體積濃度點處于爆炸三角形 外的III區(qū)和IV區(qū)時，則可直接安全實現(xiàn)可燃物的深度分離，此時僅需控 制制冷系統(tǒng)制冷能力或調(diào)節(jié)原料氣流量使分離系統(tǒng)最低溫度處于在分離 流程中出現(xiàn)富氧液相以上。當原料氣初始體積濃度點于爆炸三角形外的II 區(qū)時，則首先通過計算確定分離系統(tǒng)中最易發(fā)生爆炸位置處的含氧煤層氣 的對應坐標區(qū)域中的臨界爆炸點AV，以及該點處曱烷體積濃度/和氧氣
體積濃度；^2,再根據(jù)公式尤2/+乂2(100-/)/《2-100計算不可燃物混入比例，以確保不發(fā)生爆炸。I是混入的不可燃物與原料氣的摩爾比，/是
原料氣中的曱烷的體積初始濃度，A是原料氣中氧氣的體積初始濃度，/ 是最易發(fā)生爆炸位置處對應坐標區(qū)域中的臨界爆炸點對應的曱烷體積濃 度，>^2是最易發(fā)生爆炸位置處對應坐標區(qū)域中的臨界爆炸點對應的氧氣 的體積濃度。
應向含氧混合物內(nèi)混入液化溫度低于被分離曱烷組分的不可燃物質(zhì)， 所添加的不可燃物質(zhì)可以為一種，也可以為多種的混合物。添加不可燃物 混和物的時候，以氮氣為基準添加每種不可燃物。
本發(fā)明的有益效果在于使用本發(fā)明提供的工藝方法可以實現(xiàn)不需要
對原料氣作脫氧預處理，就可以保證含氧煤層氣在低溫液化分離過程中不 會發(fā)生爆炸，減少了原料氣預處理的設備，從而大大降低了成本。


圖1表示爆炸三角形的示意圖。
圖2表示含氧煤層氣的回收的分離系統(tǒng)，其中的精餾系統(tǒng)為精餾塔， 虛線表示從精餾系統(tǒng)2中流出的尾氣進入裝置1中的制冷系統(tǒng)進行冷量的 回收。
圖3表示通過添加不可燃物的最少混入比例安全低溫提純曱烷的流 程圖。
圖4表示常溫常壓下曱烷和空氣的混合物的爆炸三角形。 圖5表示非常溫常壓下含氧煤層氣的爆炸三角形。
具體實施例方式
實施例1
一種含氧煤層氣混合物，所述的含氧煤層氣首先進入裝置1的制冷系 統(tǒng)降溫，接著進入精餾塔2分離為尾氣和液態(tài)純曱烷，從精餾塔頂部的尾 氣出口點2'流出尾氣，液態(tài)純曱烷從精餾塔底部流出。
首先確定分離系統(tǒng)中的最易爆炸的位置，該最易發(fā)生爆炸的位置通過 在常規(guī)操作條件下，精餾塔的各個塔板已知的溫度和壓力分布，以及在各 個塔板的液體和氣體的濃度并通過公式(3)和公式(4)計算得到在各個塔板上的臨界爆炸點，比較每個塔板的臨界爆炸點，最低的臨界爆炸點對 應的分離系統(tǒng)中的位置為最易發(fā)生爆炸的位置。
建立含氧煤層氣的坐標區(qū)域a)將坐標橫軸與坐標縱軸的交點0 ( 0, O)確定為坐標原點，甲烷的體積濃度為100%,氧體積濃度為O的點確定 為B點，氧的體積濃度為100%,曱烷的體積濃度為0的點確定為A; b) 連接點A、 O、 B組成分離工藝流程中的含氧煤層氣的坐標區(qū)域。
建立含氧煤層氣在初始狀態(tài)下的爆炸三角形，由于原料氣的初始狀態(tài) 是常溫常壓，所以得到該狀態(tài)下的曱烷和空氣的混合氣體的爆炸下限點
爆炸上限點K和臨界濃度點A^。分別與常溫常壓下曱烷和空氣的混合 氣體的爆炸下限點丄、爆炸上限點F和臨界爆炸濃度點7V重合，所以丄7 (5.0， 19.88)、 )Ml5.0, 17.79)和7V。 (5.18, 9.47)。將7VoL/延長與AB 相交于丄o，將^TVo延長與AB相交于Fo，連接點￡0、 Fo和iVo，得到含氧 煤層氣在初始狀態(tài)下對應的坐標區(qū)域中的爆炸三角形Z0^VV0。
含氧煤層氣的原料氣混合物中曱烷、氧氣和氮氣的初始濃度分別為 70%、 10%和20%,所處狀態(tài)為常溫常壓，剛好位于坐標區(qū)域中的爆炸三 角形的II區(qū)，即欠氧區(qū)。
由于低溫流程中最易發(fā)生爆炸的位置的溫度為-140。C ，壓力為 0.3MPa，計算求得最易發(fā)生爆炸位置處對應的坐標區(qū)域臨界爆炸點No'， 該點對應的曱烷體積濃度為5.82%，氧的體積濃度為12.29%。
根據(jù)公式J^少。+《(100-義)/乂2-IOO計算得出對原料氣加入不可燃物
的最小混入比例為46.63%，向裝置l的制冷系統(tǒng)入口 1，處添加不可燃物 氮氣，維持氮氣的比例，從添加氮氣的原料氣中安全分離曱烷。加入不可 燃氣體后，含氧煤層氣在分離系統(tǒng)中的最易發(fā)生爆炸位置處不會發(fā)生爆 炸。
實施例2
一種含氧煤層氣混合物，所述的含氧煤層氣首先進入裝置1的制冷系 統(tǒng)降溫，接著進入精餾塔2分離為尾氣和液態(tài)純曱烷，從精餾塔頂部的尾 氣出口點2，流出尾氣，尾氣進入裝置1的冷量回收系統(tǒng)回收冷量，在本實 施方式中，制冷系統(tǒng)和冷量回收系統(tǒng)均在設備1中，液態(tài)純曱烷從精餾塔 底部流出。
首先確定分離系統(tǒng)中的最易爆炸的位置，該最易發(fā)生爆炸的位置通過在常規(guī)操作條件下，精餾塔的各個塔板已知的溫度和壓力分布，以及在各
個塔板的液體和氣體的濃度并通過公式(3)和公式(4)計算得到在各個 塔板上的臨界爆炸點，比較每個塔板的臨界爆炸點，最低的臨界爆炸點對 應的分離系統(tǒng)中的位置為最易發(fā)生爆炸的位置。
建立含氧煤層氣的坐標區(qū)域a)將坐標橫軸與坐標縱軸的交點O(O， O)確定為坐標原點，曱烷的體積濃度為100%,氧體積濃度為0的點確定 為B點，氧的體積濃度為100%,曱烷的體積濃度為0的點確定為A; b) 連接點A、 O、 B組成分離工藝流程中的含氧煤層氣的坐標區(qū)域。
建立含氧煤層氣在初始狀態(tài)下的爆炸三角形，由于原料氣的初始狀態(tài) 是常溫常壓，所以得到該狀態(tài)下的曱烷和空氣的混合氣體的爆炸下限點 丄7、爆炸上限點K和臨界濃度點iV。分別與常溫常壓下曱烷和空氣的混合 氣體的爆炸下限點丄、爆炸上限點F和臨界爆炸濃度點7V重合，所以^ (5.0， 19.88)、 ^(15.0, 17.79)和7V。 (5.18, 9.47)。將Ay:,延長與AB 相交于10,將F/7V。延長與AB相交于連接點乙0、 Fo和TVo,得到含氧 煤層氣在初始狀態(tài)下對應的坐標區(qū)域中的爆炸三角形Z。I^V0。
建立含氧煤層氣的坐標區(qū)域a)將坐標橫軸與坐標縱軸的交點O(O, O)確定為坐標原點，曱烷的體積濃度為100%,氧體積濃度為0的點確定 為B點，氧的體積濃度為100%，曱烷的體積濃度為0的點確定為A; b) 連接點A、 O、 B組成分離工藝流程中的含氧煤層氣的坐標區(qū)域。
含氧煤層氣的原料氣混合物中曱烷、氧氣和氮氣的初始體積濃度分別 為80%、 4°/。和16°/。，所處狀態(tài)為常溫常壓，剛好位于坐標區(qū)域AOB的爆 炸三角形外的II區(qū)。再根據(jù)低溫流程中最易發(fā)生爆炸的位置的溫度為-MO 。C,壓力為0.3MPa，計算求得最易發(fā)生爆炸位置處對應的坐標區(qū)域臨界爆 炸點No，，該點對應的曱烷體積濃度為5.367%,氧的體積濃度為9.53%,
因此通過公式;^/ +《(100-凡)/《2-IOO計算得出對原料氣加入不可
燃物的最小混入比例為19.72°/。，向裝置l的制冷系統(tǒng)入口 1，處添加不可 燃物氮氣或者氦氣。加入不可燃氣體后，含氧煤層氣在分離系統(tǒng)中的最易 發(fā)生爆炸位置處不會發(fā)生爆炸。
實施例3
一種含氧煤層氣混合物，所述的含氧煤層氣首先進入裝置1的制冷系 統(tǒng)降溫，接著進入精餾系統(tǒng)2分離為尾氣和液態(tài)純曱烷，從精餾系統(tǒng)頂部的尾氣出口點2'流出尾氣，液態(tài)純曱烷從精餾系統(tǒng)底部流出。
計算過程如下
含氧煤層氣坐標區(qū)域的建立見實施例2。
含氧煤層氣初始狀態(tài)下爆炸三角形的建立方法參見實施例2,含氧煤 層氣的原料氣混合物中的曱烷、氧氣和氮氣的初始濃度分別為8%、 5%和 87%，尾氣出口初始狀態(tài)為常溫常壓。
首先根據(jù)初始濃度判斷混合物處于爆炸三角形外的IV區(qū)，在低溫液 化分離液化過程中不會發(fā)生爆炸，不用加入不可燃物，不可燃物的最小混 入比例為零。
實施例4
一種含氧煤層氣混合物，所述的含氧煤層氣首先進入裝置1的制冷系 統(tǒng)降溫，接著進入精餾系統(tǒng)2分離為尾氣和液態(tài)純曱烷，從精餾系統(tǒng)頂部 的尾氣出口點2，流出尾氣，液態(tài)純曱烷從精餾系統(tǒng)底部流出。
含氧煤層氣坐標區(qū)域的建立見實施例2
含氧煤層氣在初始狀態(tài)下爆炸三角形的建立方法參見實施例2,含氧 煤層氣的原料氣混合物中的曱烷、氧氣和氮氣的初始濃度分別為8%、 18% 和74%，尾氣出口初始狀態(tài)為常溫常壓。
首先根據(jù)初始濃度判斷混合物處于爆炸三角形外的III區(qū)，在低溫液 化分離液化過程中不會發(fā)生爆炸，不用加入不可燃物，不可燃物的最小混 入比例為零。
權(quán)利要求
1. 一種從含氧煤層氣中提純分離甲烷的方法，所述方法包括以下步驟首先對含氧煤層氣的原料氣進行降溫，接著對降溫后的含氧煤層氣進行精餾處理，即得經(jīng)分離提純的甲烷，其特征在于，a)檢測原料氣中的甲烷的初始體積濃度y0；b)以甲烷的體積濃度Y為橫坐標，氧的體積濃度X為縱坐標，用于建立針對分離工藝流程中的含氧煤層氣的坐標區(qū)域，并確定含氧煤層氣在初始狀態(tài)下對應的坐標區(qū)域中的爆炸三角形；c)當y0位于坐標區(qū)域的欠氧區(qū)時，向待降溫的原料氣中添加不可燃物，不可燃物的添加量滿足以下關系其中，X是混入的不可燃物與原料氣的摩爾比，是原料氣中氧氣的初始體積濃度，yc是分離工藝流程中最易發(fā)生爆炸位置處對應坐標區(qū)域中的臨界爆炸點的甲烷體積濃度，是分離工藝流程中最易發(fā)生爆炸位置處對應坐標區(qū)域中的臨界爆炸點的氧氣體積濃度；d)保持不可燃物的比例，從添加不可燃物的原料氣中安全分離甲烷。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述的含氧煤層氣的 坐標區(qū)域是通過以下方法建立的a) 將坐標橫軸與坐標縱軸的交點O (0， O)確定為坐標原點，曱烷的 體積濃度為100%,氧體積濃度為0的點確定為B點，氧的體積濃度為 100%,曱烷的體積濃度為0的點確定為A;b) 連接點A、 O、 B組成分離工藝流程中的含氧煤層氣的坐標區(qū)域。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的方法，其特征在于所述的含氧煤層氣在 初始狀態(tài)下對應的爆炸三角形是通過以下方法建立的a) 曱烷和空氣的混合氣體在精餾處理中的直線方程7=一.755義0;+7^ 與坐標縱軸的交點為Ap連接點A" B組成曱烷和空氣的混合氣體直線方程a,b， Zo,表示氧氣的體積濃度，；r表示曱烷的體積濃度；b) 將常溫常壓下甲烷和空氣的混合氣體的爆炸下限點丄，爆炸上限點 F和臨界爆炸濃度點iV相連接，組成常溫常壓下含氧煤層氣的爆炸三角形 丄，，丄iV為常溫常壓下含氧煤層氣的爆炸下限線，PW為常溫常壓下含氧煤層氣的爆炸上限線；c) 通過在非常溫常壓下，含氧煤層氣在初始狀下的爆炸下限點Z7、 爆炸上限點^分別作丄7V和P7V的平行線，兩平行線相交于iV。點，則三角 形^KAA。為在初始狀態(tài)下的含氧煤層氣的爆炸三角形，^AA。為在初始狀態(tài) 下的含氧煤層氣的爆炸下限線，為在初始狀態(tài)下的含氧煤層氣的爆炸 上限線；d) 將AV:;延長與AB相交于丄。，將7Vo^延長與AB相交于F。，連接 點丄c、 ^和iVo,得到含氧煤層氣在坐標區(qū)域中的爆炸三角形丄。)Wo。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1-3中任一項所述的方法，其特征在于所述的分離工 藝流程中最易發(fā)生爆炸位置處對應坐標區(qū)域中的臨界爆炸點是通過以下 方法獲得的a) 曱烷和空氣的混合氣體在精餾處理中的直線方程y=-4 7S5^o2+7M 與坐標縱軸的交點為A"連接點A,、 B組成曱烷和空氣的混合氣體直線 方程A,B， Z&表示氧氣的體積濃度，r表示曱烷的體積濃度；b) 將常溫常壓下曱烷和空氣的混合氣體的爆炸下限點丄、爆炸上限點 r和臨界爆炸濃度點7V相連接，組成常溫常壓下含氧煤層氣的爆炸三角形丄iV為常溫常壓下含氧煤層氣的爆炸下限線，雨為常溫常壓下含氧 煤層氣的爆炸上限線；c) 通過在非常溫常壓下，分離工藝流程中最易發(fā)生爆炸位置處的溫度 和壓力下曱烷和空氣的混合氣體的爆炸下限點丄2、爆炸上限點^分別作 ZiV和WV的平行線，兩平行線相交于No'點，該點為分離工藝流程中最 易發(fā)生爆炸位置處對應坐標區(qū)域中的臨界爆炸點。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1-4中任一項所述的方法，其特征在于所述的曱烷是 通過以下方法從含氧煤層氣中分離獲得的含氧煤層氣的原料氣首先進入 制冷系統(tǒng)降溫，接著所述的含氧煤層氣進入精餾系統(tǒng)進行精餾處理，從精 餾系統(tǒng)頂部流出尾氣，純曱烷從精餾系統(tǒng)底部流出。
6. 根據(jù)權(quán)利要求1-5中任一項所述的方法，其特征在于，所述添加的氦氣或氖氣中的一種或者幾種。
7. 根據(jù)權(quán)利要求6所述的方法，其特征在于所述添加的不可燃物為氮氣。
8. 根據(jù)權(quán)利要求1-7中任一項所述的方法，其特征在所述的分離工藝流程中最易發(fā)生爆炸的位置處為接近精餾系統(tǒng)出口的位置處。
9.根據(jù)權(quán)利要求1-8中任一項所述的方法，其特征在于所述的精餾系 統(tǒng)為精餾塔。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種從含氧煤層氣中安全提純分離甲烷的方法，包括下述步驟首先對含氧煤層氣的原料氣進行降溫，接著對所述的含氧煤層氣進行精餾處理，a)檢測原料氣中的甲烷的初始體積濃度y⁰；b)以甲烷的體積濃度Y為橫坐標，氧的體積濃度X為縱坐標，用于建立針對分離工藝流程中含氧煤層氣的坐標區(qū)域，并確定含氧煤層氣在初始狀態(tài)下對應的坐標區(qū)域中的爆炸三角形；c)當y⁰位于坐標區(qū)域的欠氧區(qū)時，向待降溫的原料氣中添加不可燃物；d)保持不可燃物的比例，從添加不可燃物的原料氣中安全分離甲烷。使用本發(fā)明的方法可以實現(xiàn)在不需要對原料氣作脫氧預處理的情況下從含氧煤層氣中安全提純分離甲烷，降低了成本。
文檔編號C07C7/00GK101531561SQ200810101910
公開日2009年9月16日 申請日期2008年3月13日 優(yōu)先權(quán)日2008年3月13日
發(fā)明者公茂瓊, 吳劍峰, 孫兆虎 申請人:中國科學院理化技術研究所