天然气在液化之前必须分离其中的次要烃组分以避免操作设备堵塞和影响产品质量。本期研究使用活性炭吸附天然气中的次要烃，以保留甲烷的浓度与品质。但在非平衡实验配置中，相对较少关注降低甲烷中轻质烃的浓度。为了更好地理解用于气体加工应用的饱和烃竞争吸附的化学性质，我们研究了多种不同结构和化学固体吸附剂的轻烃动态吸附性质。通过吸附容量测量它们从甲烷中分离出较高分子量烃的能力。发现对于带电框架，吸附剂和吸附质之间的诱导偶极矩对吸附能力起着最重要的作用。对于不带电荷的骨架，孔径在活性炭吸附中起关键作用：微孔比中孔更有效。为了分离甲烷，乙烷，丙烷和丁烷的混合物，还必须考虑吸附动力学。在所测试的材料中，蒸汽活化的活性炭在吸附和分离能力方面是比较好的。

　　通过吸附分离是一种为所需产品提供高选择性的技术，是比较可靠的，并且具有与类似分离技术相当的资本成本和能量消耗。活性炭吸附已用于空气分离，气体脱水和CO 2分离等。很少有人研究含有饱和烃分子的混合物的动态分离，饱和烃具有相似的物理尺寸甲烷，乙烷和丙烷的动力学直径都差不多。与不饱和烃不同，饱和烃分子中没有一个与固体表面发生强烈的电子相互作用，因此研究它们的吸附行为更加困难。

　　动态吸附性实验

　　在我们之前的工作中开发了吸附装置来测量气体穿透曲线(图1)。它由三个主要部分组成：准备部分、吸附段和分析部分。在气体制备部分中，吹扫气体是高纯度Ar气体(99.999%)，其用于在引入烃气体之前通过惰性气体管线和反应器吹扫系统。吸附部分使用丙烷或乙烷在氦气或人造气体混合物，其通过燃料气体管线和反应器。这两条线都碰到了一个四端口交叉阀。整个装置等温(~26℃)。阀门位置，气体流量，压力和温度完全自动化，并由内部程序控制。通过质谱仪分析和量化来自反应器出口的气体。

　　图1：我们工作中使用的动态吸附装置的示意图。

　　活性炭吸附剂

　　选择活性炭吸附剂是因为它们具有高表面积，微孔体积和疏水性，这有利于碳氢化合物的吸附。我们的工作中选择了五种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温线如图2a所示。所有碳都表现出I型等温线。一些等温线具有小的或没有磁滞回线，表明活性炭的微孔性质(活性炭2和3)。其他的具有磁滞回线，揭示了更加异质的孔隙系统(活性炭1、4和5)。

　　图2：(a)氮吸附等温线，(b)活性炭样品的C 3 H 8吸附结果，(c)吸附在活性炭中的气体的卡通图像。

　　所有碳吸附剂的丙烷吸附实验结果如图2b所示。所有碳的吸附曲线前沿非常陡峭，表明快速的吸附动力学和良好的有效床使用。所有的碳都具有非常相似的吸附曲线斜率，除了活性炭5，前面的陡峭度较低。这表明大多数活性炭中的丙烷吸附行为是相似的。计算所有活性炭上的丙烷吸附容量，遵循从最高容量到最低容量的趋势如下：活性炭5>4>3>2>1。

　　乙烷吸附

　　我们研究了丙烷在几种不同吸附剂上的吸附。通过获得的结果，我们能够确定每种吸附剂组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气处理/纯化过程中性质相似且最难分离的两种组分，因此决定测试所选的吸附剂用于乙烷吸附。与丙烷吸附实验中的情况一样，对于所有测试的吸附剂，活性炭5显示出对乙烷的最佳吸附容量。这归因于其与其他材料相比更大的表面积和微孔体积。

　　天然气分离

　　天然气在所选吸附剂上的吸附和分离，通过吸附容量确定了天然气在五种选定的良好吸附剂上的吸附行为的比较。通常，丁烷，丙烷在五种选定的活性炭吸附剂上保留的时间长于乙烷。乙烷和丙烷以及少量丁烷的吸附很少。其他都显示出对所有碳氢化合物的良好吸附，首先是甲烷，乙烷第二，然后是丙烷，最后是丁烷，表明它们之间有很好的分离。但在目前的实验条件下，活性炭在分离方面表现更好。0.54mol%的正丁烷从活性炭柱完全穿透需要3小时。活性炭显示出比所有吸附剂更好的吸附行为，丙烷和特别是丁烷在3.5小时内从柱中穿透。

　　平常一般使用制冷循环而非固体吸附剂用于天然气净化加工。我们的研究经充分证明固体活性炭吸附材料可用于从天然气中吸附和分离较重的碳氢化合物。实验了乙烷，丙烷和丁烷在一系列活性炭吸附剂上的吸附和甲烷分离。选择用于吸附和分离天然气中烃组分的合适吸附剂的关键因素包括：骨架电荷、表面积和微孔体积和吸附动力学。对于没有骨架电荷的吸附剂，吸附质和吸附剂相互作用降低为内在相互作用，其中活性炭孔径在结合能中起关键作用。微孔比较大的中孔更有效地吸附丙烷。

　　在液化之前模拟天然气组合物的吸附物气体混合物的研究进一步证实了所选择的良好吸附剂上的烃分离性质。吸附材料的循环行为被证明是优异的，并且在循环后观察到很少的劣化。尽管活性炭通常不用于天然气加工净化，但是在这次研究的那些数据已经显示出在化学组成中分离类似化合物的希望。