Газового смеси способы разделения смесей

Очистка и разделение газовых смесей

Газообразное сырьё бывает природного и промышленного происхождения. Природное сырьё представлено углеводородными газа ми (природный газ) и воздухом. В качестве газообразного сырья промышленного происхождения используются газы коксохимического производства (коксовый газ), газы нефтепереработки (попутный газ), газы металлургических производств, газы переработки твёрдого топлива (генераторный газ).

Методы обогащения газообразных многокомпонентных систем (или очистка и разделение газовых смесей) основаны на различии свойств компонентов смеси (например, на различии температур кипения, растворимости в каком-либо растворителе, сорбционной способности).

Приведём примеры очистки и разделения газовых смесей, имеющих место в неорганических производствах.

– разделяют воздух на азот и кислород; азот используется в производстве аммиака, а кислород – как окислитель в химической промышленности и в металлургии. Кроме того, из воздуха выделяют аргон;

– из коксового газа выделяют аммиак в виде сульфата аммония; водород, используемый далее для получения азотоводородной смеси; и сероводород, который используется для получения серной кислоты.

– природный газ, применяемый в производстве аммиака, очищают от серосодержащих соединений;

– конвертированный газ производства аммиака очищают от диоксида углерода;

– перед колонной синтеза аммиака азотоводородную смесь очищают от следов кислород содержащих соединений (СО и СО₂).

Существуют следующие основные методы разделения газовых смесей: конденсация, сорбционные методы, мембранное разделение.

Суть метода конденсации заключается в том, что при охлаждении газовой смеси более высококипящие компоненты конденсируются первыми и отделяются в сепараторах. В производстве синтетического аммиака методом конденсации отделяют аммиак от непрореагировавшей азотоводородной смеси. Из коксового газа фракционным охлаждением выделяется водород.

Сорбционные методы основаны на различной сорбционной способности компонентов каким-либо поглотителем. Процесс, обратный сорбции, называется десорбцией. Сорбция и десорбция – два взаимосвязанных процесса. Когда скорость сорбции равна скорости десорбции, устанавливается динамическое равновесие. Благоприятными условиями для сорбции, то есть для поглощения газа, являются низкая температура и высокое давление. Благоприятными условиями для десорбции являются повышенная температура и пониженное давление.

В сорбционных процессах выделяют: адсорбцию и абсорбцию.

Адсорбция – это процесс поглощения одного или нескольких компонентов газовой смеси твёрдой поверхностью адсорбента. Процесс поглощения (очистки) осуществляют в аппаратах, называемых адсорберами. Адсорберы бывают: с неподвижным слоем адсорбента, с движущимся слоем, а также с кипящим слоем. Адсорбер работает в режиме «адсорбция ↔ десорбция».

В ходе очистки газа адсорбент сначала насыщается газообразным компонентом-примесью (его называют адсорбат), затем при соответствующем изменении условий процесса следует десорбция, в результате адсорбент восстанавливается. В качестве адсорбента используют: активированный уголь, цеолиты, пористые стёкла.

Абсорбция – это избирательное поглощение одного или нескольких компонентов газовой смеси жидким поглотителем (абсорбентом). Производственный цикл включает абсорбцию (при низких температурах и повышенных давлениях) и десорбцию поглощённого вещества (при нагревании и снижении давления). В качестве абсорбентов обычно используются органические и неорганические растворители. Как правило, процессы абсорбции и десорбции пространственно разделены. Очистка и разделение газовой смеси проходит в двух аппаратах. В одном (абсорбере) протекает абсорбция какого-либо компонента охлаждённым абсорбентом, в другом (регенераторе) – десорбция, при этом выделяется поглощённое вещество из раствора и регенерируется абсорбент. В регенераторе – повышенная температура и пониженное давление.

В сорбционных методах, особенно при абсорбции, имеет место не только физико-химическое поглощение одного вещества другим, но и химическое взаимодействие. В этом случае интенсификация процесса во многом зависит от скорости химической реакции. А скорость химической реакции, как известно, зависит от следующих факторов: концентрации, температуры, давления.

Следует отметить, что поглощение на твёрдом поглотителе называется сухой очисткой, поглощение раствором – мокрой.

Мембранный метод очистки газовых смесей основан на разделении с помощью микропористых перегородок (или мембран), проницаемых для молекул одного вида и непроницаемых для молекул другого вида. Мембранный метод разделения наиболее совершенный, так как исключены высокие давления и низкие температуры. В мембранных аппаратах разделяют воздух на азот и кислород, метан и водород, метан и гелий.

Следует отметить, что газы очищают также от пыли, например: в сернокислотном производстве очищают печной газ, полученный при обжиге колчедана; очищают воздух, подаваемый на окисление, в производстве серной и азотной кислот.

Особо следует отметить, что в технологии неорганических веществ необходимо очищать газовые смеси от влаги, например: воздух, подаваемый на окисление, подвергается осушке.

Метод конденсации основан на различии температур кипения компонентов.

При разделении газов методом глубокого охлаждения газовую смесь охлаждают до очень низких температур, при этом происходит последовательное сжижение составляющих компонентов, каждая фракция переходит в жидкое состояние при своей температуре. Таким способом можно разделить газовую смесь на отдельные компоненты или фракции.

Область низких температур делят:

– на умеренный холод (интервал температур от – 70 до – 100 0 С);

– глубокий холод (температуры ниже – 100 0 С).

Для охлаждения до умеренного холода в качестве хладагентов обычно используются сжиженные газы: аммиак (t_кип = – 33,35 0 С),

диоксид серы (t_кип = – 10,0 0 С), пропан (t_кип = – 42,1 0 С),

бутан (t_кип = – 0,5 0 С),то есть вещества с низкими температурами кипения. Охлаждение газа происходит вследствие того, что хладагент поглощает тепло при испарении.

Умеренное охлаждение применяется в различных отраслях химической и пищевой промышленности, а также при горных работах.

Глубоким холодом пользуются для сжижения воздуха

(t_кип = – 192,0 0 С), и последующего выделения из него азота

(t_кип = – 195,8 0 С), кислорода (t_кип = – 182,0 0 С), и аргона (t_кип = – 185,9 0 С).

Глубокое охлаждение применяют также для выделения водорода (t_кип = – 252,8 0 С) из коксового газа, этилена (t_кип = – 103,7 0 С) из газов крекинга углеводородов

Для получения глубокого холода применяют холодильные машины. Работа холодильных машин основана на свойстве реальных газов охлаждаться при расширении в определённых условиях.

Расширение газа при переходе от высокого давления к низкому без совершения работы называется дросселированием.

При расширении (дросселировании) реального газа без совершения внешней работы и без теплообмена с окружающей средой происходит охлаждение газа, так как совершается работа по преодолению сил притяжения между молекулами, в результате чего температура газа понижается. Это явление называется эффектом Джоуля – Томсона. Его используют для достижения низких температур.

Источник

Чистые вещества и смеси. Способы разделения смесей

В нашей статье мы рассмотрим, что такое чистые вещества и смеси, способы разделения смесей. В повседневной жизни их использует каждый из нас. А встречаются ли вообще в природе чистые вещества? И как отличить их от смесей?

Чистые вещества и смеси: способы разделения смесей

Чистыми называют вещества, которые содержат частицы только определенного вида. Ученые считают, что в природе их практически не существует, поскольку все они, хоть и в ничтожных долях, содержат примеси. Абсолютно все вещества также являются растворимыми в воде. Даже если погрузить в эту жидкость, к примеру, серебряное кольцо, ионы этого металла перейдут в раствор.

Признаком чистых веществ являются постоянство состава и физических свойств. В процессе их образования происходит изменение количества энергии. Причем она может как увеличиваться, так и уменьшаться. Разделить чистое вещество на отдельные составляющие можно только с помощью химической реакции. К примеру, только дисциллированная вода обладает типичной для этого вещества температурой кипения и замерзания, отсутствием вкуса и запаха. А разложить ее кислород и водород можно только путем электролиза.

А чем отличаются от чистых веществ их совокупности? Ответить на этот вопрос нам поможет химия. Способы разделения смесей являются физическими, поскольку они не приводят к изменению химического состава веществ. В отличие от чистых веществ, смеси имеют непостоянный состав и свойства, а разделить их можно физическими методами.

Что такое смесь

Смесью называют совокупность индивидуальных веществ. Ее примером является морская вода. В отличие от дисциллированной, она обладает горьким или соленым вкусом, кипит при более высокой, а замерзает при более низкой температуре. Способы разделения смесей веществ являются физическими. Так, из морской воды можно добыть чистую соль путем выпаривания и последующей кристаллизации.

Виды смесей

Если добавить в воду сахар, через некоторое время его частички растворятся и станут невидимыми. В результате их невозможно будет отличить невооруженным глазом. Такие смеси называют однородными, или гомогенными. Их примерами также являются воздух, бензин, бульон, духи, сладкая и соленая вода, сплав меди и алюминия. Как видите, однородные смеси могут находиться в разных агрегатных состояниях, но чаще всего встречаются жидкости. Их также называют растворами.

В неоднородных, или гетерогенных смесях можно различить частицы индивидуальных веществ. Железные и деревянные опилки, песок и поваренная соль являются их типичными примерами. Неоднородные смеси также называют взвесями. Среди них различают суспензии и эмульсии. В состав первых входит жидкость и твердое вещество. Так, эмульсией является смесь воды и песка. Эмульсией называют совокупность двух жидкостей с разной плотностью.

Существуют неоднородные смеси и со специальными названиями. Так, примером пены является пенопласт, а к аэрозолям относятся туман, дым, дезодоранты, освежители воздуха, антистатики.

Способы разделения смесей

Безусловно, многие смеси обладают более ценными свойствами, чем отдельно взятые индивидуальные вещества, входящие в их состав. Но даже в быту возникают ситуации, когда их необходимо разделить. А в промышленности на этом процессе основаны целые производства. К примеру, из нефти в результате ее переработки получают бензин, газойль, керосин, мазут, соляровое и машинное масло, ракетное топливо, ацетилен и бензол. Согласитесь, выгоднее использовать эти продукты, чем бездумно сжигать нефть.

Теперь давайте разберемся, существует ли такое понятие, как химические способы разделения смесей. Допустим, из водного раствора соли нам необходимо получить чистые вещества. Для этого смесь необходимо нагреть. В результате вода превратится в пар, а соль кристаллизируется. Но при этом не произойдет превращения одних веществ в другие. Это значит, что основой данного процесса являются физические явления.

Способы разделения смесей зависят от агрегатного состояния, способности к растворимости, разнице в температуре кипения, плотности и состава ее компонентов. Рассмотрим каждый из них более подробно на конкретных примерах.

Фильтрование

Этот способ разделения подходит для смесей, в состав которых входят жидкость и нерастворимое в нем твердое вещество. К примеру, вода и речной песок. Эту смесь необходимо пропустить через фильтр. В результате чистая вода свободно пройдет через него, а песок останется.

Отстаивание

Некоторые способы разделения смесей основаны на действии силы тяжести. Таким образом на чистые вещества можно разложить суспензии и эмульсии. Если в воду попало растительное масло, такую смесь сначала необходимо взболтать. Потом оставьте ее на некоторое время. В результате вода окажется на дне сосуда, а масло в виде пленки будет покрывать ее.

В лабораторных условиях для отстаивания используют делительную воронку. В результате ее работы более плотная жидкость сливается в сосуд, а легкая остается.

Отстаивание характеризуется низкой скоростью протекания процесса. Необходимо определенное время, чтобы сформировался осадок. В промышленных условиях этот способ осуществляют в специальных конструкциях, которые называются отстойники.

Действие магнитом

Если в состав смеси входит металл, то ее можно разделить при помощи магнита. К примеру, отделить железные и деревянные опилки. Но все ли металлы обладают такими свойствами? Вовсе нет. Для этого способа подойдут только смеси, содержащие ферромагнетики. Кроме железа к ним относятся никель, кобальт, гадолиний, тербий, диспрозий, гольмий, эрбий.

Дистилляция

Это название в переводе с латинского языка означает «стекание каплями». Дистилляция представляет способы разделения смесей, основанные на разнице в температурах кипения веществ. Таким образом, даже в домашних условиях можно разделить спирт и воду. Первое вещество начинает испаряться уже при температуре 78 градусов по Цельсию. Касаясь холодной поверхности пары спирта конденсируются, переходя в жидкое состояние.

В промышленности таким способом получают продукты переработки нефти, душистые вещества, чистые металлы.

Выпаривание и кристаллизация

Эти способы разделения смесей подходят для жидких растворов. Вещества, которые входят в их состав, отличаются температурой кипения. Таким образом, можно получить кристаллы соли или сахара из воды, в которой они растворены. Для этого растворы нагревают и выпаривают до насыщеного состояния. В этом случае кристаллы осаждаются. Если же необходимо получить чистую воду, тогда раствор доводят до кипения с последующей конденсацией паров на более холодной поверхности.

Способы разделения газовых смесей

Газообразные смеси разделяют лабораторными и промышленными способами, поскольку этот процесс требует наличия специального оборудования. Сырьем природного происхождения является воздух, коксовый, генераторный, попутный и природный газ, представляющий собой совокупность углеводородов.

Физические способы разделения смесей, находящихся в газообразном состоянии следующие:

• Конденсация — это процесс постепенного охлаждения смеси, в ходе которого происходит конденсация ее составляющих. При этом в первую очередь в жидкое состоние переходят высококипящие вещества, которые собираются в сепараторах. Таким образом получают водород из коксового газа, а также отделяют аммиак из непрореагировавшей части смеси.
• Сорбирование — это поглощение одних веществ другими. Этот процесс имеет противоположные составляющие, между которыми в ходе реакции устанавливается равновесие. Для прямого и обратного процесса необходимы различные условия. В первом случае это сочетание высокого давления и низкой температуры. Такой процесс называют сорбцией. В обратном случае используют противоположные условия: низкое давление при высокой температуре.
• Мембранное разделение — способ, при котором используют свойство полупроницаемых перегородок избирательно пропускать молекулы различных веществ.
• Дефлегмация — процесс конденсации высококипящих частей смесей в результате их охлаждения. При этом температура перехода в жидкое состояние отдельных компонентов должна отличаться в значительной степени.

Хроматография

Название этого способа можно перевести как «пишу цветом». Представьте, что в воду добавлены чернила. Если опустить в такую смесь конец фильтровальной бумаги, она начнет впитываться. При этом вода будет поглощаться быстрее чернил, что связано с разной степенью сорбируемости этих веществ. Хроматография является не только способом разделения смесей, но и методом изучения таких свойств веществ, как диффузия и растворимость.

Итак, мы познакомились с такими понятиями, как «чистые вещества» и «смеси». Первые представляют собой элементы или соединения, состоящие только из частиц определенного вида. Их примерами являются соль, сахар, дистиллированная вода. Смеси — это совокупность индивидуальных веществ. Для их разделения используют ряд методов. Способ их разделения зависит от физических свойств его составляющих. К основным из них относятся отстаивание, выпаривание, кристаллизация, фильтрование, дистилляция, действие магнитом и хроматография.

Источник