Меню Рубрики

Установка короткоцикловой адсорбции водорода

Установка короткоцикловой адсорбции (КЦА)

Установка короткоцикловой адсорбции (КЦА) используется для разделения газовых смесей

Установка короткоцикловой адсорбции (КЦА) используется для разделения газовых смесей с получением водорода, азота, кислорода, метана, этилена и других компонентов высокой концентрацией (от 95% до 99,9999%).

Данная технология позволяет разделять практически любой газ.

Часто для разделения используют различия в скорости адсорбции разных газов, например, при извлечении азота из воздуха с помощью углеродных молекулярных сит.

Технология КЦА основана на поглощении газа адсорбентом с использованием функции давления.

Технологический процесс адсорбции строится так, что смесь газов подается в адсорбер при повышенном давлении и температуре внешней среды.

При этом легкоадсорбируемые компоненты смеси поглощаются адсорбентом, в то время как слабоадсорбируемые или неадсорбируемые проходят через аппарат, благодаря чему происходит разделение газовой смеси.

Адсорбент поглощает газ до состояния равновесия между адсорбцией и десорбцией, после чего адсорбент необходимо регенерировать, т. е. удалить с поверхности адсорбента поглощённые компоненты.

Это можно сделать либо путем повышения температуры, либо путём сброса давления.

Обычно в короткоцикловой адсорбции используют регенерацию посредством сброса давления.

Можно использовать безнагревную КЦА, как, например, у компании Грасис.

На сегодняшний день получили распространение 3 метода организации циклического безнагревного процесса адсорбционного разделения воздуха:

напорные — Pressure Swing Adsorbrion (PSA),

вакуумные — Vacuum Swing Adsorbtion (VSA),

смешанные — Vacuum Pressure Swing Adsorbtion (VPSA).

Главная отличительная особенность безнагревной КЦА (PSA) в том, что циклы адсорбции и десорбции проводятся при одной и той же температуре, но парциальное давление адсорбирующихся компонентов при адсорбции больше, чем при десорбции.

Главное преимущество процессов PSA перед традиционным методом проведения адсорбционных процессов в циклах адсорбции-десорбции при различных температурах — в устранении стадий нагрева и охлаждения адсорбера, требующих больших затрат времени и энергии.

Следующей отличительной чертой короткоцикловой адсорбции является небольшая длительность циклов адсорбции и регенерации, обычно в пределах нескольких минут, в результате чего указанный процесс получил наименование «короткоцикловая адсорбция».

Свое широкое применение, особенно за рубежом, КЦА получила из-за следующих преимуществ:

  • высокая селективность по адсорбируемым компонентам в зависимости от выбора адсорбента;
  • быстрый пуск и остановка по сравнению с криогенными блоками;
  • большой диапазон работы от 5 до 100% производительности без изменения энергетических затрат;
  • большая гибкость установок, т.е. возможность быстрого изменения режима работы, производительности и чистоты в зависимости от потребности;
  • автоматическое регулирование режима;
  • возможность дистанционного управления;
  • низкие энергетические затраты по сравнению с криогенными блоками;
  • простое аппаратурное оформление;
  • низкие, затраты на обслуживание из-за простоты установок;
  • применение первого защитного слоя адсорбента предотвращает чувствительность к агрессивным компонентам по сравнению с мембранами и гарантирует длительные сроки эксплуатации адсорбента без его замены;
  • низкая стоимость установок по сравнению с криогенными технологиями.

Из-за вышеперечисленных преимуществ КЦА широко применяется для следующих целей:

  • получение водорода из природного и коксового газа, других водородсодержащих газов;
  • получение метана из природного газа;
  • получение окиси и двуокиси углерода;
  • выделение этилена;
  • получение азота и технического кислорода из воздуха;
  • и др. газовых смесей.

источник

Метод короткоцикловой адсорбции (КЦА)

Криогенное разделение воздуха при всех его качественных параметрах является довольно дорогостоящим способом получения промышленных газов. Адсорбционный метод разделения воздуха, основанный на избирательном поглощении того или иного газа адсорбентами, является некриогенным способом, и широкое применение получил из-за следующих преимуществ:

высокая разделительная способность по адсорбируемым компонентам в зависимости от выбора адсорбента;

быстрый пуск и остановка по сравнению с криогенными установками;

большая гибкость установок, т.е. возможность быстрого изменения режима работы, производительности и чистоты в зависимости от потребности;

автоматическое регулирование режима;

возможность дистанционного управления;

низкие энергетические затраты по сравнению с криогенными блоками;

простое аппаратурное оформление;

низкие затраты на обслуживание;

низкая стоимость установок по сравнению с криогенными технологиями;

Адсорбционный способ используется для получения азота и кислорода, так как он обеспечивает при низкой себестоимости отличные параметры качества.

Принцип получения азота при помощи КЦА прост, но эффективен. Воздух подается в адсорбер — углеродные молекулярные сита при повышенном давлении и температуре внешней среды. В ходе процесса кислород (О2) поглощается адсорбентом, в то время как азот (N2) проходит через аппарат. Адсорбент поглощает газ до состояния равновесия между адсорбцией и десорбцией, после чего адсорбент необходимо регенерировать, т.е. удалить с поверхности адсорбента поглощённые компоненты. Это можно сделать либо путём повышения температуры, либо путём сброса давления. Обычно в короткоцикловой адсорбции используют регенерацию посредством сброса давления. Небольшая длительность циклов адсорбции и регенерации, обычно в пределах нескольких минут, и дала собственно название процесса — «короткоцикловая адсорбция». Чистота азота по этой технологии 99,999%.

В установках для производства кислорода используется известный факт, что азот адсорбируется алюмосиликатными молекулярными ситами существенно быстрее, чем кислород. Для отделения азота от кислорода воздух сначала сжимают, а затем пропускают через адсорбер, получая на выходе относительно чистый кислород. Чистота кислорода как продукта, получаемого по этой технологии, составляет до 95 %. Основной загрязняющей его примесью является главным образом аргон. Регенерацию адсорбента проводят при атмосферном давлении или вакууме.

Читайте также:  Установка подогрева сидений уаз патриот

Трёхадсорберная система с применением двухступенчатого насоса

Двухадсорберная система с дополнительной буферной емкостью и одноступенчатым насосом

Скорости адсорбции азота и кислорода

Технологическая схема установок КЦА для производства азота из воздуха

Установки короткоцикловой адсорбции обычно полностью собираются и испытываются на заводе-изготовителе, т.е. поступают к потребителю в состоянии полной заводской готовности, что обеспечивает быстрый монтаж, и имеют диапазон производительности от 10 до 6000 нм 3/ч.

Мембранная технология

Промышленное использование технологии мембранного разделения газов началось в 70-х годах и произвело настоящую революцию в индустрии разделения газов. Вплоть до сегодняшних дней эта технология активно развивается и получает все большее распространения благодаря своей высокой экономической эффективности. В случаях, когда не требуется очень чистый газ, в основном азот, при сравнительно больших объемах потребления, эта технология практически полностью вытеснила альтернативные способы получения газов — криогенный и адсорбционный. При производстве азота чистоте до 99.9% и производительностью до 5000 нм³/ч мембранные установки оказываются существенно выгоднее остальных. Устройство современных мембранных газоразделительных и воздухоразделительных установок исключительно надежно. В первую очередь это обеспечивается тем, что в них нет никаких подвижных элементов, поэтому механические поломки почти исключены. Современная газоразделительная мембрана, основной элемент установки, представляет собой уже не плоскую мембрану или пленку, а полое волокно. Половолоконная мембрана состоит из пористого полимерного волокна с нанесенным на его внешнюю поверхность газоразделительным слоем. Суть работы мембранной установки заключается в селективной проницаемости материала мембраны различными компонентами газа. Разделение воздуха с использованием селективных мембран основано на том, что молекулы компонентов воздуха имеют разную проницаемость через полимерные мембраны. Воздух фильтруется, сжимается до желаемого давления, осушается и затем подается через мембранный модуль. Более «быстрые» молекулы кислорода и аргона проходят через мембрану и удаляются наружу. Чем через большее количество модулей проходит воздух, тем больше становится концентрация азота N2.

Наиболее эффективно по затратам получать азот с содержанием основного вещества 93-99,5%.

Ниже приведены графики по выбору применения тех или иных видов получения промышленных газов в зависимости от объемов потребления и необходимой чистоты.

Получение гелия

Гелий — прозрачный газ, без вкуса и запаха, следующий по величине атомного веса после водорода элемент. Он абсолютно инертен, т. е. не вступает ни в какие реакции. Из всех веществ гелий имеет самую низкую температуру кипения -269°С. Жидкий гелий — самая холодная жидкость. «Замерзает» гелий при — 272° С. Эта температура всего на один градус выше температуры абсолютного нуля. В промышленных масштабах гелий можно получать двумя способами – либо из недр земли, либо разделением воздуха. Это газ на Земле встречается мало: 1 м3 воздуха содержит всего 5,2 см3 гелия, т.е. всего 0,00052%., а каждый килограмм земного материала — 0,003 мг гелия. По распространенности же во Вселенной гелий занимает

второе место после водорода: на долю гелия приходится около 23% космической массы.

На Земле гелий постоянно образуется при распаде урана, тория и других радиоактивных элементов. Гелий накапливается в свободных газовых скоплениях недр и в нефти; такие месторождения достигают промышленного масштабов. Максимальные концентрации гелия (10-13%) выявлены в свободных газовых скоплениях и газах урановых рудников и (20-25%) в газах, спонтанно выделяющихся из подземных вод. Чем древнее возраст газоносных осадочных пород и чем выше в них содержание радиоактивных элементов, тем больше гелия в составе природных газов.

Добыча гелия в промышленных масштабах производится из природных и нефтяных газов как углеводородного, так и азотного состава. По качеству сырья гелиевые месторождения подразделяются: на богатые (содержание Не > 0,5% по объему); рядовые (0,10-0,50) и бедные (

источник

Технологии

Воздухоразделительное оборудование

В настоящее время кислород, азот широко используются в ходе производственных процессов в самых разных отраслях промышленности. Как правило, потребители приобретают нужный им газ в газообразном или жидком виде у сторонних поставщиков, однако такая схема организации снабжения имеет ряд существенных недостатков (зависимость от производителя, завышенные цены, возможное низкое качество газа). Самое верное решение этой проблемы – приобрести специализированное воздухоразделительное оборудование и наладить самостоятельное производство газа из сжатого воздуха.

Предлагаемое нашей компанией воздухоразделительное оборудование работает на основе технологии кба (короткоцикловая безнагревная адсорбция), то есть схема работы подобного оборудования базируется на свойствах адсорбирующих материалов поглощать молекулы азота и примесных газов, выделяя кислород или азот. В промышленном производстве генераторы кба используются на протяжении многих лет и успели доказать свою эффективность, надежность и высокое качество выпускаемого продукта.

Прежде чем более подробно рассматривать генераторы кба, мы бы хотели сразу ответить на вопрос о том, что такое короткоцикловая адсорбция и какими преимуществами обладает кба по сравнению с другими методами получения газов.

Технология короткоцикловой безнагревной адсорбции

Сразу заметим, что кба отлично подходит для разделения практически любого газа. В данном случае под адсорбцией понимается связывание молекул газа поверхностью твердых тел, которое, в свою очередь, зависит от типа молекул и свойств адсорбирующей поверхности. В большинстве случаев генераторы кба используют адсорбенты в виде гранул, шариков или специальных прессованных элементов. Наиболее известные адсорбенты, используемые в ходе процесса кба, — это активированный уголь, активированный глинозем, углеродные молекулярные сита или силикагель.

Кроме того, короткоцикловая адсорбция использует и функцию давления. По сути дела, весь процесс кба строится на том, что в генераторы кба подается смесь газов при повышенном давлении, отдельные элементы которой поглощаются адсорбентами, а неадсорбируемые газы проходят через аппарат в специальные накопители, то есть происходит процесс газоразделения. При этом следует учитывать, что короткоцикловая безнагревная адсорбция нуждается в постоянном равновесии между процессами адсорбции и десорбции. Для этой цели адсорбент, используемый генераторами кба, необходимо регенерировать – очищать с его поверхности поглощенные компоненты. Для достижения этой цели, в процессе кба применяются либо повышенные температуры, либо сбрасывание давления. Последняя методика стала стандартом де-факто и используется наиболее часто.

Огромную популярность методика кба получила за счет своих несомненных преимуществ перед другими способами разделения газов. О них и пойдет речь в следующем разделе.

Преимущества, которыми обладает короткоцикловая адсорбция:

  • генераторы кба отличаются быстрым стартом и остановкой, чего не скажешь об обычных криогенных блоках;
  • без особых энергетических затрат воздухоразделительное оборудование, использующее принцип кба, может менять производительность от 5 до 100 процентов;
  • низкие затраты на установку и обслуживание оборудования;
  • крайне простое аппаратное управление;
  • возможность дистанционного управления;
  • длительное использование адсорбента без необходимости его замены;
  • воздухоразделительное оборудование стоит существенно дешевле аналогичных установок для разделения газа.

Преимущества генераторов КЦА

Легкость получения продукта наивысшей чистоты Стабильные показатели на выходе Срок службы более 10 лет Оптимальное соотношение цена/качество Возможность расширения Простое управление Низкая стоимость обслуживания Идеально для применения на высокотехнологичном производстве Работа при экстремально низких и высоких температурах Подтверждение пригодности для работы с пищевыми продуктами

Принципы работы газоразделительных установок

Таблица целевых продуктов

Целевой продукт Состав смеси Конечный состав смеси
Азот, N2 Воздух: 79 % 90-99,8 %
Кислород, О2 Воздух: 21 % 25-45 %
Сухой воздух влажность 100 % точка росы -60 0 С
Метан CH4 (из природного газа) 50-70 % до 99 %
Водород, H2 50-90 % до 99,9 %
СО2 (удаление из природного газа) 20-65 % 1-5 % масс.
СО2 (концентрирование) 40-80 % До 98 %

За счет своих преимуществ генераторы кба широко используются в процессе промышленного производства, однако следует заметить, что воздухоразделительное оборудование от разных производителей может использовать разные принципы адсорбции. На сегодняшний день наибольшее распространение получили следующие разновидности кба:

  • напорные — Pressure Swing Adsorbrion (PSA);
  • вакуумные — Vacuum Swing Adsorbtion (VSA);
  • смешанные — Vacuum Pressure Swing Adsorbtion (VPSA).

Напорные генераторы кба извлекают азот (или кислород) при давлении выше атмосферного. При этом стадия регенерации протекает при обычном атмосферном давлении. В вакуумном оборудовании используется кба при нормальном атмосферном давлении, а процесс регенерации – при отрицательном. Смешанные генераторы кба сочетают изменение положительного и отрицательного давления для достижения наиболее эффективных результатов.

Несмотря на некоторые принципиальные различия, процесс кба протекает одинаково на всех типах оборудования. Воздух проходит через один из 2-х работающих адсорберов и обогащается азотом или кислородом в зависимости от типа используемого адсорбента. Затем обогащенная смесь попадает во второй адсорбер, где она продувается частью произведенного воздуха и одновременно проходит процедуру очистки от нежелательных включений, после чего нужный выделенный газ попадает в накопительные емкости и может применяться в производственных целях.

Дополнительную информацию о газоразделительном оборудовании вы можете получить, позвонив в нашу компанию и опытные специалисты помогут подобрать наиболее эффективные генераторы кба и проконсультируют по всем возникшим у вас вопросам.

Генераторы азота КЦА – многосоставные устройства, состоящие из алюминиевых колонн высокой прочности. Каждая из колонн содержит сдвоенные камеры УМС (расшифровка: углеродных молекулярных сит). УМС является тем материалом, благодаря которому удаляется кислород из сжатого воздуха и остаточные газы. Происходит это за счет молекулярной абсорбции – есть возможность применять азот в качестве одной из производной газа.

источник

Установка короткоцикловой адсорбции водорода

Поставляем установки производства водорода компании Mahler AGS (Малер АГС). Установки производят водород из природного газа методом риформинга. Использование таких установок целесообразно, если потребность в водороде превосходит 200 Нм³/ч.

Компания также выпускает оборудование для производства азота, азотно-водородных смесей и биогаза. С 1950 года компания поставила 4500 установок. Компания «ЭкоГазСистем» является официальным партнёром Mahler AGS на территории России и в странах СНГ ( сертификат ).

Отличительные особенности оборудования «Mahler AGS»:

— Высокая надёжность и длительный срок службы. У некоторых Заказчиков установки «Mahler» непрерывно работают уже более 20 лет.

Читайте также:  Установка задних дисковых тормозов 2141

— Установки работают в полностью автоматическом режиме, есть возможность дистанционного контроля.

— Модульная конструкция. Водородная установка поставляется в виде готовых блоков на скид-рамах, что существенно удешевляет проектирование и монтаж.

Водород из природного газа

Водородные установки компании «Mahler AGS» серии HYDROFORM-C производят водород методом паровой конверсии метана (англ. «steam methane reforming — SMR»). Также используется термин «паровой риформинг природного газа». Вместо природного газа могут использоваться и другие углеводороды (сжиженный углеводородный газ, нафта). В реакторе SMR-установки при высокой температуре смесь углеводородов и водяного пара преобразуется в водород и оксиды углерода (СО, СО₂) по реакции:

CnHm + n⋅H₂O=(n + m/2)⋅H₂ + n⋅CO (эндотермическая)

CO + H₂O=CO₂ + H₂ (экзотермическая)

Далее с помощью системы адсорбционной очистки из получившейся смеси извлекается чистый водород.

Крупнейший потребитель водорода – это химические и нефтеперерабатывающие заводы. Установки производства водорода из природного газа на НПЗ производят водород для нефтепереработки. Водород позволяет увеличить выпуск высококачественного топлива. На химических предприятиях водород используется для синтеза аммиака, соляной кислоты и перекиси водорода. SMR-установки успешно используются и в металлургии, в производстве плоского стекла (по методу флоат), в производстве растительных жиров.

Паровая конверсия метана (SMR) — это самый дешёвый способ получения водорода, этим способом производится 90-95% всего водорода в мире. Удельные прямые затраты на производство водорода методом SMR в России составляет примерно 5 руб/Нм³.

Схема SMR-установки

В этом разделе приводится схема и краткое описание принципа действия установки производства водорода из природного газа.

В основу работы системы HYDROFORM-C положен метод паровой конверсии природного газа (метана), сжиженного нефтяного газа или нафты и последующей очистки полученного водородсодержащего газа в системе HYDROSWING®.

Подача природного газа

Поток природного газа поступает на установку с давлением 21 бар и разделяется на два потока:

  • Поток А — как топливо для горелок реформера (D13101)
  • Поток Б — смешивается с потоком рециркуляционного Н2 компрессором (V15501)

(нажмите для увеличения)

Далее смешанный поток направляется в подогреватель (W14001) и нагревается до температуры порядка 390°C, после чего поступает в реактор гидрирования / десульфуризации (C10201). В верхней части реактора (C10201) содержится катализатор гидрирования (Co-Mo), где сера и ее соединения гидрируются до H₂S, включая ненасыщенные углеводороды. Температура в реакторе (C10201) растёт пропорционально количеству этих веществ в потоке газа. Максимальное допустимое содержание ненасыщенных соединений составляет 1%. В нижней части реактора содержится катализатор на основе оксида цинка с помощью которого поглощается сероводород.

Печь риформера

Замечание по терминологии: в русской языке закрепилось написание «риформер, риформинг» вместо «реформер, реформинг».

Десульфуризированный поток смешивается с технологическим паром из котла дымовых газов (D11001), который предварительно подогревается до 520°C в пароперегревателе (W11001) и поступает на печь парового риформинга (D13101).Риформинг питающей паровой смеси происходит в нагреваемых примерно до 820°C высоколегированных трубках риформера которые заполнены катализатором на основе никеля. Затем газ охлаждается в газоохладителе (W11003) до 350°C за счёт образования насыщенного пара с давлением около 22 бар. Далее проходит через высокотемпературный СО конвертер (C14001), где большая часть монооксида углерода вступает в реакцию с избыточным количеством пара, присутствующем в потоке риформинга-газа. Температура выходящего газа составляет

Система водоснабжения бойлера (BFW)

Деминерализованная вода подаётся в дегазатор/деаэратора (B12101) и нагнетается до 26 бар с помощью насоса системы водоснабжения бойлера (P12001 / P12002). Воду нагревают до 210°С в экономайзере (W14002) перед подачей в котёл дымовых газов (D11001).

Рекуперация тепла

В первом теплообменнике (W14001) тепло конвертированного процессного газа используют для нагрева питающего газового потока и рециркуляционного потока до 390°C.Второй теплообменник (W14002) используется для экономии тепла, где питающая вода из дегазатора/деаэратора (B12101) подогревается восстановленным теплом от 100°C до 210°C.

Охлаждение преобразованного процессного газа приблизительно до 35°С происходит в охладителе воды (W14003). В ходе процесса охлаждения избыток пара конденсируется (F14001). Конденсат может быть переработан и использован повторно.

Блок короткоцикловой адсорбции (КЦА)

В блоке КЦА водород отделяется от примесей, таких как H₂O, CO, CO₂, N₂ и непрореагировавшего СН₄. Система состоит из 4 адсорберов (A14101-A14104) с различным типом адсорбента, с помощью которого очищается водород путём процесса сорбции примесей на адсорбенте. Регенерация происходит путём сброса давления и продувки адсорберов.

Рекуперация тепла топочных газов

Горячий дымовой газ (D13101), используется следующим образом:

  • Перегрев питающего и технологического пара в пароперегревателе (W11001) до 520 °С.
  • Генерация технологического пара и вспомогательного пара в дымовом газовом котле (D11001), процессный пар смешивается с десульфуризированным газом и направляется в (W11001).
  • Предварительный нагрев воздуха до 350 — 400°С в подогревателе с воздушной горелкой (W11002).Газоохладитель (W11003) интегрирован в котёл дымовых газов (D11001).

Корректная температура риформинг-газа на выходе регулируется с помощью внутреннего байпаса, чтобы обеспечить оптимальные условия эксплуатации при любой нагрузке.

источник