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

ГАЗОВ РАЗДЕЛЕНИЕ

Фракционная конденсация. При охлаждении газов в первую очередь сжижаются высококипящие компоненты, поэтому содержание их в конденсате выше, чем в равновесной паровой фазе. Это используют для газов разделения, причем конечные т-ры подбирают т. обр., чтобы в конденсате преобладал целевой компонент. Напр., при низкотемпературном ( —138°С) разделении под давл. 1,3 МПа коксового газа, содержащего 2% этилена, получают фракцию с содержанием этилена 50%. В случае прямоточной конденсации (направления движения газа и конденсата совпадают) обе фазы находятся в равновесии. При противоточной конденсации в результате массообмена между стекающим вниз конденсатом и омывающими пов-сть теплообмена газами (фазы неравновесны) жидкая фаза, имеющая т-ру ниже, чем у газовой фазы, дополнительно обогащается высококипящими компонентами.

Ректификация сжиженного газа. Основана на массо- и теплообмене между неравновесными жидкой и паровой фазами. В результате испарения жидкости пары обогащаются низкокипящими компонентами. Поэтому при противотоке фаз и многократном их испарении и конденсации исходную смесь можно разделить на высоко- и низкокипящие компоненты. Процесс осуществляют в ректификац. колоннах, причем для разделения n-компонентной смеси на практически чистые в-ва требуется n — 1 колонн. Возможно разделение азеотропных смесей при добавлении компонента, образующего новое азеотропное соединение. Аналогично поступают при разделении смесей с низкой относит. летучестью. В последнем случае добавление разделит. агента приводит к изменению относит. летучести разделяемых компонентов.

Абсорбция. Возможны как физ. абсорбция, так и хемосорбция, а также их сочетание при использовании водных р-ров абсорбентов. Общие требования к абсорбентам: высокая поглощающая способность, доступность, пожаро-и взрывобезопасность, малое давление паров, нетоксичность, хим. инертность к конструкц. материалам. В отдельных случаях допускается повыш. давление паров абсорбента, хотя это приводит к увеличению его расхода. Напр., при абсорбции жидким азотом Аг, СО и СН₄, содержащихся в коксовом газе, газах конверсии метана или генераторных газах, выделяемый Н₂ насыщается N₂, образуя азотоводородную смесь, необходимую для синтеза NH₃. При прочих равных условиях существенное преимущество при выборе абсорбента — его способность к регенерации, т.е. к обратному выделению поглощенных газов. Это требование обязательно при многократной циркуляции абсорбента и в случае возможности полезного применения поглощенных газов. Абсорбция газов широко используется во мн. отраслях пром-сти как конечная стадия получения целевых продуктов, очистки исходных газов от примесей, отравляющих катализаторы, вызывающих коррозию, способных кристаллизоваться и забивать аппаратуру, загрязнять окружающую среду и т.д.

Адсорбция. В кач-ве адсорбентов используют в осн. пористые тела с сильно развитой пов-стью: активные угли, А1₂О₃, силикагели, цеолиты. Физ. адсорбция газа сопровождается выделением теплоты, по кол-ву близкой к теплоте его конденсации, хемосорбция — кол-вом теплоты, соответствующим тепловому эффекту р-ции. Процесс проводят периодически в одном или неск. аппаратах с неподвижным слоем адсорбента либо непрерывно в адсорберах с движущимся или псевдоожиженным слоем адсорбента. Адсорбция применяется для газов разделения при высоких и криогенных т-рах и разл. давлениях, для осушки и очистки газов от примесей, в вакуумной технике, хроматографии и др.

Разделение через мембраны. В этом случае газов разделение реализуется благодаря разл. проницаемости компонентов газовой смеси через разделит. мембраны (пористые и непористые перегородки). Эффективность мембраны определяется ее уд. производительностью, т.е. кол-вом газа, прошедшего через пов-сть мембраны за соответствующее время. Аппараты для мембранного газов разделения — замкнутые объемы, разделенные мембранами на две полости. Движущая сила процесса — поддерживаемая постоянной разность парциальных давлений (или концентраций) газов по обе стороны мембраны. В зависимости от назначения мембраны изготовляют из разл. материалов (стекло, металлы, полимерные материалы), к-рым придают форму пластин, трубок, полых волокон, капилляров. Напр., для выделения Н₂ из продувочных газов произ-ва NH₃ используют трубки из сплава Pd; для тех же целей применяют полые волокна из полиариленсульфонов. Воздух, обогащенный О₂, получают с помощью пластин из поливинилтриметилсилана. Важная характеристика мембранных аппаратов — плотность упаковки мембраны, т.е. пов-сть мембраны, приходящаяся на единицу объема аппарата. Плотность упаковки мембран из полых волокон с наружным диам. 80-100 мкм и толщиной стенки 15-30 мкм составляет 20000 м 2 /м 3 , плоских мембран — 60-300 м 2 /м 3 . См. также Абсорбция, Адсорбция, Конденсация фракционная, Мембранные процессы разделения, Мембраны разделительные, Ректификация.

===
Исп. литература для статьи «ГАЗОВ РАЗДЕЛЕНИЕ» : Ба га ту ров С. А., Основы теории и расчета перегонки и ректификации, 3 изд., М., 1974; Ра мм В. М., Абсорбция газов, 2 изд., М., 1976; Хванг С.-Т., Каммермейер К., Мембранные процессы разделения, пер. с англ., М., 1981; Беляков В. П., Криогенная техника и технология, М., 1982; Кельцев Н. В., Основы адсорбционной техники, 2 ИЗА, М., 1984. И. И. Гельперин.

Страница «ГАЗОВ РАЗДЕЛЕНИЕ» подготовлена по материалам химической энциклопедии.

Источник

способ разделения газовых смесей на компоненты и устройство для его осуществления

Использование: разделение газовых смесей на составляющие. Сущность изобретения: газовую смесь подают под давлением тангенциально и одновременно воздействуют на нее селективным электромагнитным излучением с частотой радиодиапазона и электростатическим полем. Устройство для осуществления способа включает цилиндрический корпус с входным патрубком и выходами для компонентов разделенной газовой смеси. Входной патрубок прикреплен к цилиндрическому корпусу тангенциально. Внутри корпуса размещен отсекатель с зазором до стенки корпуса. На выходе корпуса установлена рельефная диафрагма для вывода тяжелой компоненты, а по центру корпуса — вентиль для вывода легкой компоненты газовой смеси. По центру корпуса и входного патрубка установлены электроды, подключенные к отрицательному полюсу источника питания, а по периметру — электроды, подключенные к положительному полюсу. По центру корпуса установлен излучатель электромагнитной энергии. Корпус выполнен из магнитопроницаемого материала. 2 с.п. ф-лы, 2 ил.

Формула изобретения

1. Способ разделения газовых смесей на компоненты, включающий воздействие на поток электромагнитного поля, поля центробежных сил и электрического поля, отличающийся тем, что, с целью повышения производительности и эффективности разделения, электромагнитное поле создают сверхвысокой частоты, воздействие осущестляют в резонансном режиме, при этом электрическое поле создают электростатическим, а воздействие осуществляют на протяжении всего пути движения потока.

2. Устройство для разделения газовых смесей на компоненты, содержащее цилиндрический корпус с входным патрубком и выходными отверстиями тяжелой и легкой компонент, электромагнитную систему, размещенную вне корпуса, и систему электродов, часть которых расположена по оси входного патрубка, а другая часть — у внутренней стенки входного патрубка, отличающееся тем, что, с целью повышения производительности и эффективности разделения, оно снабжено отсекателем, установленным на выходе корпуса с зазором к его стенкам, диафрагмой, установленной в выходном отверстии для тяжелой компоненты, и дополнительной системой электродов, часть которых расположена по оси корпуса, а другая часть по периметру корпуса, при этом магнитная система выполнена в виде СВЧ-излучателя и установлена соосно с корпусом.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к технике разделения газовых смесей на составляющие.

Разделение газовых смесей на компоненты осуществляют в промышленности несколькими известными способами. Основные из них: метод глубокого охлаждения — конденсация фракционированная в сочетании с ректификацией и абсорбцией; сорбция селективными жидкими поглотителями (применяется главным образом при очистке газовых смесей от СО 2 , Н 2 S, NH 3 и др); сорбция селективными твердыми поглотителями (неподвижными, движущимися или «псевдоожиженными»).

Наибольшее применение нашел первый метод, обеспечивающий четкое разделение газовых смесей при минимальном расходе энергии.

Примером метода глубокого охлаждения может служить низкотемпературная ректификация, которая основана на использовании различия в температурах кипения компонентов, входящих в газовую смесь. Перед разделением газовую смесь ожижают. Затем проводят последовательное испарение и конденсацию с соответствующим отводом продуктов разделения. Происходит разделение легкокипящих компонентов от тяжелокипящих.

Наиболее близким являются способ и устройство, где способ включает воздействие на поток газовой смеси электромагнитного поля, поля центробежных сил и электрического поля, а устройство для осуществления способа содержит цилиндрический корпус, входные и выходные отверстия, электромагнитную систему, систему электродов.

Недостаток этого способа и устройства — малая производительность.

Задача изобретения — повышение производительности и эффективности разделения газовых смесей.

Это достигается тем, что в способе разделения газовых смесей на компоненты, включающем воздействие на поток электромагнитного поля, поля центробежных сил и электрического поля, электромагнитные поля создают сверхвысокой частоты, воздействие осуществляют в резонансном режиме, при этом электрическое поле создают электростатическим, а воздействие осуществляют на протяжении всего пути движения потока.

Устройство для разделения газовых смесей на компоненты, содержащее цилиндрический корпус с входным патрубком и выходными отверстиями тяжелой и легкой компонент, электромагнитную систему, размещенную вне корпуса и систему электродов, часть которых расположена по оси входного патрубка, а другая часть у внутренней стенки входного патрубка, снабжено отсекателем, установленным на выходе корпуса с зазором к его стенкам, диафрагмой, установленной в выходном отверстии для тяжелой компоненты и дополнительной системой электродов, часть которых расположена по оси корпуса, а другая часть по периметру корпуса, при этом электромагнитная система выполнена в виде СВЧ-излучателя и установлена соосно корпусу.

На фиг.1 представлено устройство для осуществления способа; на фиг.2 — разрез А-А на фиг.1.

Устройство содержит цилиндрический корпус 1, входной патрубок 2, отсекатель 3, электроды 4, вентиль — выходное отверстие 5 легкой компоненты, выходное отверстие 6 тяжелой компоненты, диафрагму 7, электромагнитную систему 8, камеру разделения 9 газовой смеси.

Цилиндрический корпус 1 имеет входной патрубок 2, по которому сжатая смесь газов поступает в камеру разделения 9 по касательной к окружности сечения корпуса, тангенциально.

Внутри цилиндрического корпуса размещен отсекатель 3. Отсекатель 3 служит для отвода тяжелой компоненты из вращающегося потока газовой смеси. Он установлен с зазором до стенки камеры разделения 9 газовой смеси, причем зазор выбран пропорционально содержанию тяжелой компоненты в газовой смеси.

Как во входном патрубке 2, так и в камере разделения 9 создано электростатическое поле. Для этого по центру входного патрубка 2 и камеры разделения газовой смеси установлены электроды 4, подключенные к отрицательному полюсу. По периметру камеры разделения и патрубка установлены электроды, подключенные к положительному полюсу источника питания.

На выходе из камеры разделения установлен вентиль 5 — выходное отверстие для вывода легкой компоненты газовой смеси, а в выходном отверстии тяжелой компоненты — диафрагма 7. Диафрагма 7 увеличивает поверхность сечения и изменяет гидравлическое сопротивление движению потока.

Электромагнитная система 8 выполнена в виде СВЧ-излучателя и установлена соосно корпусу. Корпус 1 выполнен из материала, пропускающего электромагнитное излучение, например из органического стекла или фторопласта.

Способ осуществляется следующим образом. Газовую смесь под давлением подают через входной патрубок 2 тангенциально в цилиндрическую камеру разделения 9. Газовая смесь вращается в цилиндрической камере и создается поле центробежных сил, под действием которых происходит разделение на компоненты. Вращающийся поток газа имеет некоторую скорость вдоль оси, т.е. совершает винтовое движение.

На выходе из камеры разделения 9 газовой смеси установлен вентиль 5 для вывода легкой компоненты смеси и отсекатель 3 тяжелой компоненты, установленный с зазором до стенки камеры разделения. Зазор выбран пропорционально содержанию тяжелой компоненты в газовой смеси. Далее на пути отвода тяжелой компоненты установлена диафрагма.

С целью повышения эффективности разделения газовой смеси, на нее воздействуют электромагнитным полем радиодиапазона. Частоту выбирают резонансной для одной из компонент газовой смеси, обладающей большой молекулярной массой.

Кванты электромагнитной энергии, поглощенные молекулами более тяжелой компоненты газовой смеси, увеличивают кинетическую энергию движения молекул, и под действием центробежных сил они будут отклоняться к периферии, к стенке камеры разделения газовой смеси.

Кроме того, на всем пути движения газовой смеси на нее воздействуют электростатическим полем. Молекулы газовой смеси имеют различные по величине потенциалы ионизации, поэтому к электродам электростатического поля будут притягиваться молекулы с меньшей величиной потенциала ионизации. Это приводит к повышению эффективности разделения газовой смеси, так как молекулы получат дополнительное ускорение.

П р и м е р. Проводили разделение сжатого воздуха на кислород и азот. Сжатый воздух через входной патрубок подавали тангенциально в камеру разделения 9, в которой создано электростатическое поле. В камере разделения сжатый воздух под действием центробежных сил и воздействия электростатического поля разделялся на компоненты. На периферии — газ с большой молекулярной массой (тяжелая компонента смеси), в центре — газ с меньшей молекулярной массой (легкая компонента смеси). Частота электромагнитного излучения составляла 60 ГГц. Эта частота является резонансной для кислорода. Электромагнитное излучение увеличивает гидроскопические свойства молекул и устойчивость движения молекул вдоль линии центробежных сил. Увеличивается эффективность разделения сжатого воздуха на кислород и азот.

Предлагаемый способ и реализующее его устройство позволяет более просто, чем известный способ достичь результата разделения газовых смесей. Устройство не имеет сложных узлов и трущихся элементов и не требует большого количества оборудования. Способ и устройство имеют высокую экономичность и надежность, длительный ресурс работы и могут применяться для очистки воздуха от примесей, для разделения различных газовых смесей на компоненты.

Источник

Вам также может понравиться

Ясень семена способ распространения

Ясень обыкновенный Fraxinus excelsior – так в ботанической

Ярлыки способы создания ярлыков ос windows

Создаем ярлыки на рабочем столе Windows Создаем ярлыки

Японское удобрение фуджима способ применения

Удобрения Фуджима Знаете потрясающее удобрение, палочка

Японский чай способ заварки

Технология заваривания японского чая Известно, что