多机制耦合分离气体混合物应用基础研究

原油加工过程尾气中含CO2等废气和氢气、C2等具较高经济价值的组分，由于分离难度大，难以回收利用，一般作为瓦斯气烧掉，不仅浪费能源，同时产生大量废气。本项目针对氢气、C2和CO2等关键组分的分离纯化，提出了多孔介质吸附、微乳液吸收、水合等多重耦合分离技术思想，对发展我国重油加工工业具有直接意义，也对发展洁净能源和环境保护具有现实意义。本项目首先研究在分离功能方面对水有特异响应的多孔材料，分析多孔材料功能基团和金属原子类型作用机理，揭示水分子影响气体吸附位和吸附选择性的机制, 揭示湿材料提高储气率和分离效果的机理。然后采用悬浮浆态床进行吸收-吸附-水合耦合分离过程的多尺度传递机制和强化方法研究，最后开发具有实际应用价值的固定床和浆态床中试实验装置，开展多机制耦合分离气体混合物热模实验，优化过程工艺参数，建立工艺包基础数据，开发过程模拟软件，使相关成果直接应用于气体分离、CO2捕集等技术研发。

气体混合物分离是重要的化工过程。传统的分离技术如吸收、吸附等具有各自的优缺点。如吸收分离热集成效率高，但分离系数往往不高或解吸能耗高。吸附分离系数高，但需要切换操作、热集成困难。本项目提出将吸收、吸附、水合三种不同的分离过程耦合起来，发挥优势，消除或降低弱势。为此，针对吸附-水合、吸收-吸附、吸收-水合三种耦合分离过程涉及的科学与工程技术问题进行了系统研究，在热力学和动力学实验研究基础上，深入分析了不同分离过程耦合实现分离效果协同强化的化学物理机制，开发出系列调控增强耦合协同效应的技术方法和工艺。.在吸附-水合耦合分离方面，针对活性炭-水，ZIF-8-水等复合体系在水合物形成条件下分离不同类型气体混合物的效果进行了相平衡实验测定和动力学研究，发现吸附-水合的耦合效应体现在提高介质的储气量即分离容量上，对于提高分离因子则没有明显效果。对水合物成核、生长动力学机制开展实验和分子模拟研究。.针对吸收-吸附耦合分离，确定了ZIF-8/水，ZIF-8/乙二醇等能实现吸收-吸附耦合分离的复合介质体系。研究发现吸收-吸附耦合可获得远大于吸收或吸附的分离效果，并提出吸收-吸附协同增强分离因子的原因是在液-固界面形成了选择性渗透膜。确定了影响不同气体组分渗透选择性的关键因素，开发了面向不同的分离目标、通过调整液相介质组成来提高耦合分离效果的工艺方法。如在乙二醇中加入2-甲基咪唑，显著提高了CO2的渗透性、降低其它组分的渗透性，实现高效脱碳。相关成果在Natutre Communications 上发表，被10余家海外媒体报道。.针对吸收-水合耦合分离，探讨了油-水-表面活性剂体系的构成对不同气体混合物分离效果、水合速度和水合物浆液形态的影响。针对CO2捕集、H2分离、催化干气中C2回收等不同分离目标，开发出了系列油-水-表面活性剂复合体系，在提高分离效果、水合速度和水合物浆液的流动性方面取得良好效果。研究了对气-油-水多相复杂体系的传质机理、水合物形成动力学规律、水合物浆液的流体力学行为，建立了相关的机理模型和方程。.项目开展了浆态法捕集CO2的吸收塔穿透实验和吸收-解吸连续分离实验。设计用于浆态分离技术（包括吸收-吸附和吸收-水合耦合分离技术）工业放大研究的大型中试试验平台。.发表SCI论文41篇、中文核心期刊论文3篇。申请发明专利5项（含1项PCT专利）、获得发明专利授权5项。