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 (tкип = – 33,35 0 С),
диоксид серы (tкип = – 10,0 0 С), пропан (tкип = – 42,1 0 С),
бутан (tкип = – 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
(tкип = – 192,0 0 С), и последующего выделения из него азота
(tкип = – 195,8 0 С), кислорода (tкип = – 182,0 0 С), и аргона (tкип = – 185,9 0 С).
Глубокое охлаждение применяют также для выделения водорода (tкип = – 252,8 0 С) из коксового газа, этилена (tкип = – 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
4.1.2. Методы разделения смесей и очистки веществ.
Типы смесей
гетерогенные (неоднородные)
гомогенные (однородные)
Гетерогенными называют такие смеси, в которых можно выявить границу раздела между исходными компонентами либо невооруженным глазом, либо под лупой или микроскопом:
Вещества в таких смесях смешаны друг с другом максимально возможно, можно сказать, на молекулярном уровне. В таких смесях нельзя выявить границу раздела исходных компонентов даже под микроскопом:
Суспензия (твердое + жидкость)
Эмульсия (жидкость + жидкость)
Дым (твердое + газ)
Смесь порошков твердых веществ (твердое+твердое)
Истинные растворы (например, раствор поваренной соли в воде, раствор спирта в воде)
Твердые растворы (сплавы металлов, кристаллогидраты солей)
Газовые растворы (смесь не реагирующих между собой газов)
Методы разделения смесей
Гетерогенные смеси типов газ-жидкость, жидкость-твёрдое, газ-твёрдое неустойчивы во времени под действием силы тяжести. В таких смесях составные компоненты с меньшей плотностью постепенно поднимаются вверх (всплывают), а с большей — опускаются вниз (оседают). Такой процесс самопроизвольного разделения смесей с течением времени называют отстаиванием. Так, например, смесь мелкого песка и воды довольно быстро самопроизвольно делится на две части:
Для ускорения процесса осаждения вещества с большей плотностью из жидкости в лабораторных условиях чаще прибегают к более продвинутой версии метода отстаивания — центрифугированию. Роль силы тяжести в центрифугах играет центробежная сила, всегда возникающая при вращении. Поскольку центробежная сила напрямую зависит от скорости вращения, ее можно делать многократно больше силы тяжести, просто увеличивая число оборотов центрифуги в единицу времени. Благодаря этому достигается намного более быстрое по сравнению с отстаиванием разделение смеси.
После отстаивания или центрифугирования надосадочную жидкость можно отделить от осадка методом декантации — аккуратным сливанием жидкости с осадка.
Разделить смесь двух нерастворимых друг в друге жидкостей (после ее отстаивания) можно с помощью делительной воронки, принцип действия которой понятен из следующей иллюстрации:
Для разделения смесей веществ, находящихся в разных агрегатных состояниях, помимо отстаивания и центрифугирования также широко используют фильтрование. Метод заключается в том, что фильтр обладает различной пропускной способностью по отношению к компонентам смеси. Чаще всего это связано с различным размером частиц, но также может быть еще обусловлено тем, что отдельные компоненты смеси сильнее взаимодействуют с поверхностью фильтра (адсорбируются им).
Так, например, взвесь твердого нерастворимого порошка с водой можно разделить, используя пористый бумажный фильтр. Твердое вещество остается на фильтре, а вода проходит через него и собирается в в емкости, расположенной под ним:
В некоторых случаях гетерогенные смеси могут быть разделены благодаря разным магнитным свойствам компонентов. Так, например, смесь порошков серы и металлического железа можно разделить с помощью магнита. Частицы железа в отличие от частиц серы притягиваются и удерживаются магнитом:
Разделение компонентов смеси с применением магнитного поля называют магнитной сепарацией.
Если смесь представляет собой раствор тугоплавкого твердого вещества в какой-либо жидкости, выделить это вещество из жидкости можно выпариванием раствора:
Для разделения жидких гомогенных смесей используют метод, называемый дистилляцией, или перегонкой. Данный способ имеет принцип действия, схожий с выпариванием, но позволяет отделять не только летучие компоненты от нелетучих, но также и вещества с относительно близкими температурами кипения. Один из простейших вариантов дистилляционных аппаратов представлен на рисунке ниже:
Смысл процесса дистилляции заключается в том, что при кипении смеси жидкостей первыми улетучиваются пары более легкокипящего компонента. Пары этого вещества после прохождения через холодильник конденсируются и стекают в приемник. Метод дистилляции широко применяется в нефтяной промышленности при первичной переработке нефти для разделения нефти на фракции (бензин, керосин, дизель и т.д.).
Так же методом дистилляции получают очищенную от примесей (прежде всего солей) воду. Воду, прошедшую очистку дистилляцией, называют дистиллированной водой.
Источник
Муниципальный этап Всероссийской олимпиады школьников по химии
Класс Москва 2010
ЗАДАНИЯ С РЕШЕНИЯМИ
11-1. Предложите лабораторный способ разделения на индивидуальные вещества смеси газов, состоящей из аммиака, углекислого газа, угарного газа, азота. Напишите уравнения соответствующих реакций.
РЕШЕНИЕ.
1) Пропустить смесь через кислоту.
NH3 + H + = NH4 + (остальные компоненты не реагируют)
К раствору соли аммония добавить щелочь и нагреть. Выделится аммиак. Собрать выделившийся аммиак.
2) Пропустить остаток через известковую воду.
CO2 + 2OH¯ + Ca 2+ = CaCO3↓ + Н2О (остальные компоненты не реагируют)
Осадок отфильтровать, высушить, прокалить. Собрать выделившийся углекислый газ.
3) Разделение СО и N2 можно провести следующим образом.
4 СО + Ni = t Ni(CO)4 (N2 не реагирует)
При более высокой температуре карбонил никеля разлагается с выделением угарного газа.
Можно получить также кабонил железа, но при других условиях.
11-2.Предложите реакции, с помощью которых можно осуществить следующую схему превращений:
пропандиол-1,2 → ацетон → изомасляная (метилпропановая) кислота
РЕШЕНИЕ.
1) Превращение (пропандиол-1,2 → ацетон) можно осуществить в 3 стадии.
Стадия 1. Замещение гидроксильных групп на галоген.
Стадия 2. Дегидрогалогенирование спиртовым раствором щелочи.
Стадия 3. Гидратация пропина (реакция Кучерова).
CH3─C≡CH + H2O 
CH3─CO─CH3
Возможны другие варианты ответа.
2) Превращение (ацетон → изомасляная (метилпропановая) кислота) можно провести в 3 стадии. Последняя стадия может быть осуществлена двумя способами.
Стадия 1. Восстановление ацетона.
Стадия 2. Замещение гидроксила спирта на галоген.
В качестве реагентов можно использовать также PCl5, PCl3, SOCl2.
Стадия 3. Трансформация атома галогена в СООН. Может быть осуществлена двумя способами:
I способ – через нитрил
II способ – через реактив Гриньяра
11-3.Нобелевская премия по химии в 2010 году присуждена американцу Ричарду Хеку, японцам Акире Судзуки и Эйити Негиси — авторам трех «именных» реакций кросс-сочетания с помощью палладиевых катализаторов.
Реакция Хека формально проста:
С помощью модифицированной реакции Хека оказалось возможным получение соединения Б в мягких условиях и с хорошим выходом по следующей схеме:
Напишите уравнения реакций и структурные формулы соединений А и В.
РЕШЕНИЕ.
11-4.Восстановите левые части приведенных ниже уравнений химических реакций:
? → S + 2 FeS + 6 NaCl
РЕШЕНИЕ.
2 FeCl3 + 3 Na2S = S + 2 FeS + 6 NaCl
11-5.Массовая доля металла в смеси хлорида и фторида, в которых этот металл проявляет степень окисления + 2, равна 0,1629. Вычислите массовую долю хлорид-иона в смеси солей.
РЕШЕНИЕ.
Пусть n(MeCl2+MeF2) = 1 моль, n(Cl — ) = x моль, n(F — ) = (2-x) моль. Тогда n(Me 2+ ) = 1 моль.
M(Me) = 0,1629∙m(Me) + 5,78295х + 6,1902 – 0,1629∙x , откуда
В этом случае масса металла M(Me) > 7,395, поэтому металл может быть бериллием.
Вычисляем количество вещества хлорид-иона в смеси:
x = n(Cl — ) = 
= 0,5 моль
Массовая доля хлорид-иона в смеси солей равна:
w(Cl — ) = 
= 0,321 (32,1 %)
Для магния M(Mg)=24г/моль величина x = n(Cl — )= 
=5,171 моль, такое значение n(Cl — ) приводит к отрицательному значению n(F — ), чего не может быть. Следовательно, в состав смеси солей входит бериллий
Источник
