Спосіб одержання метану та вуглекислого газу з очищенного від домішок біогазу

Изобретение относится к области разделения смеси газов, в частности к получению из биогаза метана (СН4) и углекислого газа (СО2), и может быть использовано для выделения упомянуты х газов из биогаза, получаемого при обработке сточных вод, твердых бытовых отходов, отходов животноводства и т.п. Известный способ получения метана и углекислого газа из очищенного от примесей биогаза [1], выбранный а качестве прототипа, включает процесс разделения биогаза на метан и углекислый газ при постоянной температуре и отвод полученных газов для последующего использования, Процесс разделения осуществляют в присутствии адсорбента (молекулярных сит с определенным размером пор) при высоком давлении (до 5 МПа) и температуре 320 К. Недостатком известного способа является сложность его осуществления, так как требует применения сложного технологического оборудования; необходимость проведения дополнительных действий, связанных с регенерацией адсорбента, а также длительность процесса разделения. В основу предлагаемого изобретения поставлена задача создать такой способ получения метана и углекислого газа из очищенного от примесей биогаза, в котором новые условия осуществления процесса разделения биогаза позволили бы упростить способ в целом и сократить время на получение газов. Поставленная задача достигается тем, что в способе получения метана и углекислого газа из очищенного от примесей биогаза, включающем процесс разделения биогаза на метан и углекислый газ и отвод их для последующего использования, в соответствии с изобретением, перед разделением биогаза на метан и углекислый газ, биогаз конденсируют в твердую фазу при температуре 77-120 К, а разделение биогаза на метан и углекислый газ ведут в процессе отогрева сконденсированного биогаза до комнатной температуры, при этом отвод метана осуществляют при температуре ниже температуры плавления углекислого газа, а отвод углекислого газа осуществляют при температуре выше температуры плавления углекислого газа. Суть предлагаемого способа получения СН 4 и СО2 из биогаза заключается в предварительной низкотемпературной конденсации биогаза в твердую фазу и дальнейшем отогреве твердого конденсата за счет теплоотвода естественного или искусственного. При этом сначала при отогреве до температуры плавления СОг давление над твердым конденсатом растет за счет испарения более летучего компонента метана. При дальнейшем отогреве от температуры плавления СО2 до комнатной температуры начинает плавиться и испаряться менее летучий компонент - СО2. Последовательный отбор каждого компонента позволяет быстро и надежно (с высокой степенью чистоты) разделить биогаз на метан и углекислый газ. Осуществление конденсации биогаза в твердую фазу при температуре 77-120 К перед разделением биогаза на метан и СО2 позволяет получить твердый конденсат, при последующем отогреве которого, из-за существенного различия упругости паров компонентов (СН4 и СОг), удается быстро разделить биогаз на чистые компоненты без применения дополнительных средств: адсорбента, полупроницаемых мембран. Осуществление конденсации биогаза при температуре менее 77 К требует использования дорогостоящих хладагентов и создания сложной системы охлаждения, а также увеличивает время осуществления предложенного способа. Осуществление конденсации при температуре более 120 К ведет к увеличению содержания примесей в каждом из компонентов: СН4 и СО2, что требует дополнительного последующего процесса разделения этих компонентов. Проведение разделения биогаза на метан и углекислый газ в процессе отогрева сконденсированного биогаза до комнатной температуры не требует применения сложного технологического оборудования, при этом разделение происходит значительно быстрее, чем в известном способе. Отвод-метана при отогреве до температуры плавления углекислого газа, а отвод углекислого газа - при температуре отогрева выше температуры плавления углекислого газа позволяет быстро и без проведения дополнительных операций отделить (десорбции регенерации) отделить метан от углекислого газа и достичь при этом низкое содержание примесей в каждом из полученных газов. На фигуре представлена схема установки с помощью которой реализовали предлагаемый способ получения метана и углекислого газа. Установка состоит из баллона 1 для хранения биогаза, соединенной с ним разделительной камерой 2, помещенной в сосуд Дьюара 3. Установка снабжена сообщающимися с разделительной камерой 2 баллонами 4 и 5 для сбора чистых компонентов СН 4 и СО2. Баллоны 1, 4 и 5, а также разделительная камера 2 снабжены вентилями соответственно 6, 7, 8 и 9, которые подсоединены к трубопроводу 10 с вы ходным вентилем 11. Для контроля давления газов баллоны 1,4,5 и разделительная камера 2 снабжены мановакууметрами, соответственно 12, 13, 14 и 15, а установка в целом мановакууметром 16. Баллон 1 накопления биогаза подсоединен к системе предварительной очистки биогаза (на фигуре не показана) с помощью вентиля 17. Способ осуществляли следующим образом. Перед напуском биогаза закрывали вентиль 17, а вентили 6, 7, 8, 9 и 11 открывали и производили откачку форвакуумным насосом (на фигуре не показан) трубопровода 10, баллонов 1, 4, 5 и разделительной камеры 2 до давления - 10 Па. Затем вентили 6,7, 8, 9 и 11 закрывали, открывали вентиль 17 и заполняли баллон 1 биогазом предварительно очищенным от примесей: сероводорода (Н2О) и паров воды. Заполнение баллона 1 биогазом производили при давлении не более 0,25 МПа, после чего вентиль 17 закрывали. Затем сосуд Дьюара 3 заполняли жидким хладагентом - азотом. Разделительная камера 2, представляющая собой металлический цилиндр длиной 300 мм, диаметром 50 мм с толщиной стенок 3 мм, охлаждалась до температуры 100 К. Верхняя часть разделительной камеры 2 и подводящий к ней патрубок имели температуру 273 К, что предотвращало конденсацию биогаза в твердую фазу в этой части разделительной камеры 2 и позволяло избегать закупорки разделительной камеры 2 пробкой из твердой фазы. После охлаждения разделительной камеры 2 до 100 К вентили 6 и 7 открывали, биогаз из баллона 1 конденсировался в твердую фазу в нижнюю и среднюю части разделительной камеры 2 до тех пор, пока давление биогаза в баллоне 1 и разделительной камере 2 не выравнивалось (~0,01-0,02 Μ Па). После окончания конденсации биогаза вентиль 6 баллона 1 закрывали, снимали с разделительной камеры 2 сосуд Дьюара 3 и открывали вентиль 8 баллона 4. Отогрев разделительной камеры 2 с конденсатом контролировали путем измерения температуры термопарами и измерения давления внутри разделительной камеры 2 мановаку-умметром 15. Поскольку при температуре сублимации упругость пара метана составляла 1,3 · 10 Па, а упругость пара углекислого газа при температуре конденсации составляла 0,013 Па, то при отогреве твердого конденсата сначала испарялся метан, который собирали в баллоне 4. Количество собранного в баллоне 4 метана контролировали путем измерения давления мановакуумметром 13. По достижению твердым конденсатом температуры плавления углекислого газа (216,5 К) скорость роста давления в разделительной камере 2 резко уменьшалось, вентиль 8 на баллоне 4 закрывали. Далее происходило плавление оставшегося в разделительной камере 2 твердого конденсата и выделение углекислого газа. Окончание процесса плавления СО2 сопровождалось увеличением скорости роста давления в разделительной камере 2 и соответственно увеличением потока испаряющегося углекислого газа. В этот момент открывали вентиль 9 баллона 5, предназначенного для сбора СО2. Заполнение баллона 5 углекислым газом заканчивала после отогрева конденсата в разделительной камере 2 до комнатной температуры и выравнивания давлений в разделительной камере 2 и баллоне 5. Величина потока первого компонента -СН4 из разделительной камеры 2 в баллон 4 в 6-10 раз превышала величину потока второго компонента - СО2 в баллон 5. Измерение концентраций исследуемых газов осуществляли методом отбора проб с последующим анализом на хроматографе ЛХМ-80, предварительно прокалиброванном по эталонным смесям исследуемых газов. Точность определения концентраций составляла 0,5%. Пример. Для получения метана и углекислого газа брали биогаз, предварительно очищенный от примесей. Примесь сероводорода не отмечалась, пары воды содержались в количестве менее 0,001%. Содержание метана в биогазе — 60%. Баллон 1 был заполнен биогазом обьемом 0,068 м 3. В результате предлагаемого способа из этого объема биогаза было получено в баллоне 4 0,04 м 3 метана с примесью СО2 10%, а в баллоне 5 0,028 м 3 углекислого газа с примесью СН 4 9%. При этом конденсация биогаза в разделительную камеру 2 осуществлялась в течение 15 мин. Баллон 4 был заполнен за 3 мин., а баллон 5 за 25 мин. Расход жидкого азота на проведение эксперимента не превышал 3 л. Таким образом в одном цикле (одно заполнение биогазом баллона 1) выход годного продукта составлял: для метана чистотой 90% - 59%, для углекислого газа чистотой 91% -41%. Предлагаемый способ позволяет в 1,5-2 раза быстрее осуществлять разделение биогаза на метан и углекислый газ с высокой степенью чистоты каждого раза.