Способы разделения газовых 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

Глава первая.
Методы низкотемпературного разделения смесей и области их использования

1-1. Характеристика промышленных газовых смесей и продуктов их разделения

Широкое использование различных газов в народном хозяйстве вызывает необходимость их получения в достаточных количествах с необходимыми параметрами (состав, темпера тура, давление и агрегатное состояние) и при возможно меньших затратах. Как правило, получение газов при нужных параметрах неизменно связано с процессами разделения исходных смесей. Эти процессы осуществляются в крупном масштабе; количество производимых в промышленно развитых странах таких газов, как например, кислород или азот измеряется миллиардами кубометров в год.

В табл. 1-1 приведены основные газовые смеси и получаемые из них продукты разделения. Стрелками показано, какие продукты могут быть извлечены из каждой исходной смеси. Как видно из таблицы, газовые смеси и получаемые из них продукты разделения весьма разнообразны по физическим и химическим свойствам.

Разделяемые газовые смеси							Получаемые газы
Воздух	Природный газ	Коксовый газ	Водяной газ	Газ синтеза аммиака	Газ крекинга нефти	Дымовые газы
х	х	х	х	х	х	х	Кислород, O2
х	х	х	х	х	х	х	Азот, N2
х	х	х	х	х	х	х	Неон, Ne
х	х	х	х	х	х	х	Криптон, Kr
х	х	х	х	х	х	х	Ксенон, Xe
х	х	х	х	х	х	х	Аргон, Ar
х	х	х	х	х	Водород, H2
х	х	х	х	х	Дейтерий, D2
х	х	х	х	х	х	Гелий, He
х	х	х	х	х	х	Метан, CH4
х	х	х	х	х	х	Этан, C2H6
х	х	х	х	х	х	Пропан, C3H8
х	х	х	х	х	х	Бутан, C4H10
х	х	Пропилен, C3H6
х	х	х	х	х	Этилен, C2H4
х	Углекислый газ, CO2
х	х	х	х	х	Окись углерода, CO

Большинство получаемых при разделении газов (за исключением углеводородов от С₂ и выше и углекислого газа) представляют собой криоагенты, т.е. имеют нормальные температуры конденсации в широкой интервале температур ниже 120K. Это обстоятельство определяет возможность использования для разделения смесей этих газов низкотемпературных методов, которые в большинстве случаев оказываются экономически наиболее выгодными.

1-2. Методы низкотемпературного разделения смесей

Многочисленные методы разделения газовых смесей, применяемые и технике [1, 2] , основаны на использовании тех или иных отличий в свойствах веществ, входящих в смесь.

Некоторые из них (гравитационный основанный на использовании разницы в молекулярных весах газов, термодиффузионный, при котором используется диффузия в противоположных направлениях тяжелых и легких молекул под действием температурного градиента, и химический, при котором используется связывание некоторых из частей смеси путем химических реакций) непригодны или экономически невыгодны при больших масштабах производства.

Сорбционные способы – адсорбционный и абсорбционный, применяются в технике разделения газов, но, как правило, более выгодны при малых количествах разделяемой смеси. Адсорбционный способ разделения и очистки газовых смесей широко используется как при температурах, близких к температурам окружающей среды, так и при криогенных [2, 3, 4].

Диффузионный способ основан на различной проницаемости тонких перегородок для тех или иных составляющих газовой смеси. Разработка мембран, обладающих такой селективностью (избирательностью), и систем разделения, в которых это свойство используется для разделения смесей, ведется весьма интенсивно. В качестве примеров таких селективных мембран можно назвать платину (при нагреве пропускает H2), кварцевое стекло (пропускает Не), некоторые полимеры пропускают кислород лучше, чем азот [5].

Однако диффузионный метод пока находит ограниченное применение как вследствие необходимости иметь в ограниченном объеме большую поверхность тонких мембран, измеряемую тысячами кв. метров, так и больших удельных энергетических затрат на проталкивание газа через мембраны.

Наконец, нужно упомянуть магнитный метод разделения, применимый, в принципе, только для выделения из смеси газов с заметными парамагнитными свойствами (кислород и закись азота). Попытки создать технически приемлемый магнитный способ выделения кислорода из воздуха пока не дали результата вследствие сравнительно малой магнитной восприимчивости кислорода.

Доминирующее место в промышленности занимают различные варианты конденсационно-испарительного метода разделения, основанного на использовании правила Коновалова, – разницы в составах равновесных паровой и жидкой фаз разделяемой смеси. Как уже указывалось, конденсация разделяемых газовых смесей требует низких температур, в большинстве случаев криогенных: этим и обусловлено содержание учебного пособия «Низкотемпературное разделение газовых смесей»).

Конденсационно-испарительные методы разделения смесей могут быть периодическими и непрерывными. Первые, при которых параметры процесса меняются по времени, не применяются в современных установках и поэтому нами не рассматриваются; вторые, при которых поточный процесс протекает в стационарных по времени условиях, лежат в основе всех технических систем разделения.

Три вида конденсационно-испарительных процессов используются в технике низкотемпературного разделения: непрерывное испарение, непрерывная конденсация и, наконец, ректификация. Каждый из них имеет ряд модификаций. Анализ этих процессов применительно к низкотемпературной технике дан в третьей главе данного пособия.

Предварительно необходимо рассмотреть идеальные процессы разделения, энергетические показатели которых позволяют провести путем сопоставления оценку совершенства реальных технических процессов.

Источник