Меню Рубрики

Установки для 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.

Читайте также:  Установка задней стойки ниссан альмера классик

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.

Не нашли то, что искали? Воспользуйтесь поиском:

Лучшие изречения: Только сон приблежает студента к концу лекции. А чужой храп его отдаляет. 9252 — | 7837 — или читать все.

источник

АППАРАТЫ ДЛЯ РАЗДЕЛЕНИЯ ГАЗОВЫХ СМЕСЕЙ

Вещества, находящиеся в газообразном состоянии, разделяются в основном с помощью процессов абсорбции.

Абсорбциейназывается процесс поглощения газа или пара жидким поглотителем (абсорбентом).

Процесс, в котором газ или пар вступает в химическое взаимодействие с жидкостью, называется хемсорбцией.

Абсорбция — процесс избирательный. Избирательность процесса абсорбции позволяет извлекать из газовой смеси определенное вещество с использованием соответствующего поглотителя.

Процессы абсорбции широко применяются в различных отраслях химической и нефтеперерабатывающей промышленности для поглощения аммиака, окислов азота, серного ангидрида, углеводородных газов, а также для санитарной очистки отходящих газов, выбрасываемых в атмосферу.

Абсорбция, как правило, сопровождается выделением тепла. Повышение температуры ухудшает проведение процесса, поэтому абсорбционные установки во многих случаях снабжают холодильными элементами.

Процесс удаления поглощенных газов из жидкости называют десорбцией. Десорбция производится в токе инертного газа путем выпаривания раствора или под вакуумом.

Десорбция применяется для извлечения из поглотителя растворенных в нем газов и паров, когда они являются целевыми продуктами производства.

Абсорбераминазывают аппараты, в которых протекает процесс абсорбции. По способу создания поверхности контакта жидкости с паром абсорберы делят на аппараты поверхностного типа, насадочные, барботажные (тарельчатые) и механические.

Если газ хорошо поглощается жидкостью, то нет необходимости создавать большую поверхность контакта фаз. В этом случае для хорошей абсорбции газа достаточно пропускать его над поверхностью жидкости (например, процесс поглощения хлористого водорода).

Наиболее широко для абсорбции применяют насадочные колонны, сравнительно простые по конструкции (рис. 5.1). Это полые цилиндрические аппараты, в которые загружают насадочные тела различной формы, обеспечивающие развитую поверхность контакта между жидкостью и газом. Газ подводят снизу под слой насадки, а жидкость подается на насадку, при этом обеспечивается противоток между жидкостью и газом.

В качестве элементов насыпных насадок применяют кольца Рашига, кольца Палля и седловидные насадки, изготавливаемые из керамики, фарфора или тонколистового металла (рис. 5.2).

К насадке предъявляют следующие основные требования: она должна быть дешевой, простой в изготовлении, иметь большую удельную поверхность на 1 м 3 объема и оказывать малое гидравлическое сопротивление движению газов.

Рис.5.1. Насадочная колонна: 1- корпус колонны; 2- распределительная решетка; 3- насадка; 4- ороситель
газ
жидкость
газ

Кольца Рашига просты в изготовлении, поэтому они получили наибольшее распространение. Кольца выпускают диаметром от 10 до 150 мм, однако в промышленных колоннах в основном применяют кольца диаметром 25 и 50 мм.

а
б
Рис.5.2. Элементы насадок: а- кольца Рашига; б- кольца Палля; в- седловидная насадка

В последнее время освоены плоскопараллельные (рис. 5.3) и сотовые насадки, состоящие из вертикально установленных пластин или сотовых элементов, обеспечивающих хороший контакт между жидкостью и газом и в то же время имеющие малое гидравлическое сопротивление.

Рис.5.3. Элемент плоскопараллельной насадки

Насадку укладывают на опорную решетку (колосник). Решетку изготовляют из нескольких секций (рис. 5.4), укладываемых на опорные балки. Размер в свету между колосниками решетки должен быть не более 0,6 -0,7 наименьшего размера насадочного элемента.

Хорошей опорной конструкцией для колонн малого диаметра служит также решетки из просечно-вытяжного листа.

Насадочные колонны хорошо работают при обильном и равномерном орошении, поэтому оросительные устройства являются одним из важных узлов колонны.

Рис.5.4. Сварная колосниковая решетка

К оросителям предъявляются следующие основные требования: они не должны увеличивать унос жидкости с газом; высота оросительного устройства и расстояние от оросителя до насадки должны быть минимальными; они должны устойчиво работать при колебании расхода жидкости;

быть простыми по устройству и удобными в эксплуатации; не должны забиваться при работе с загрязненными жидкостями.

Оросители подразделяют на самотечные и разбрызгивающие. Из самотечных оросителей жидкость вытекает отдельными струйками через отверстия или прорези. К самотечным оросителям относится распределительная плита, представляющая собой тарелку с патрубками (рис. 5.5), через которые жидкость отдельными струйками стекает на насадку. Уровень тарелки регулируется установочными винтами. Диаметр тарелки равен 0,6 — 0,7 диаметра аппарата. Орошающая жидкость подводится через патрубок к центру тарелки. Распределительные плиты просты по устройству и надежны в работе, однако при большом диаметре колонны они становятся громоздкими и поэтому не применяются для аппаратов диаметром более 3 м.

В аппаратах большого диаметра применяют оросительные желоба (рис. 5.6), состоящие из ряда параллельных желобов 1 и главного распределительного желоба 2, расположенного под ними. Желоба громоздки и требуют тщательной регулировки горизонтальности, которая производится с помощью установочных винтов.

К разбрызгивающим оросителям относится тангенциальная форсунка (рис. 5.7). Жидкость, подлежащая разбрызгиванию, подводится в круглую внутреннюю камеру форсунки тангенциально, закручивается там и выходит с большой скоростью через центральное отверстие. Закрученная струя по выходе из форсунки дробится на капли. Тангенциальная форсунка обеспечивает интенсивное и сравнительно равномерное орошение в радиусе 2 — 2,5 м. В аппаратах большого диаметра устанавливают несколько форсунок.

Ограниченное применение для целей абсорбции находят тарельчатые колонны. Их применяют в основном в тех случаях, когда количество орошающей жидкости очень мало. В аппаратах используют стандартные колпачковые, ситчатые, клапанные, струйные и провальные тарелки. На тарелке поддерживается слой жидкости, через который барботирует восходящий поток газа, распределяясь в жидкости пузырьками и струйками. Газ последовательно проходит через слои жидкости на тарелках, расположенных в колонне на определенном расстоянии. Жидкость непрерывно перетекает с верхних на расположенные ниже тарелки. В межтарельчатом пространстве газ отделяется от унесенных капель и брызг. Контакт между поднимающимся газом и стекающей жидкостью осуществляется непрерывно.

В механических абсорберахмежфазная поверхность контакта образуется путем разбрызгивания жидкости в газообразной среде с помощью вращающихся устройств различных типов.

Рис.5.5. Распределительная плита: 1- патрубок. 2- установочные винты

Рис.5.6. Оросительные жалоба

Рис.5.7. Тангенциальная форсунка

Механические абсорберы по своей эффективности превосходят абсорберы других типов. Это объясняется тем, что, во-первых, при разбрызгивании жидкости на мелкие капли образуется большая развернутая поверхность контакта фаз, а во-вторых, абсорбция газов летящими каплями жидкости в несколько раз больше, чем при тех же условиях стекающей пленкой. Благодаря этому механические абсорберы весьма компактны (рис. 5.8). Общий недостаток механических абсорберов — сложность конструкции и значительный брызгоунос.

источник

Разделение газовых смесей

Углеводородные газы являются ценным сырьем для производства высокооктановых компонентов моторных топлив и важнейшим видом сырья для нефтехимических синтезов. В связи с этим современные процессы газоразделения призваны обеспечить максимальное извлечение углеводородных компонентов из газа.

Известны несколько способов разделения газовых смесей. Для разделения смеси газов на индивидуальные компоненты или технические фракции для дальнейшей переработки применяются следующие процессы: конденсация, компрессия, абсорбция, низкотемпературная абсорбция, адсорбция, ректификация.

Читайте также:  Установка первого цилиндра в вмт приора

Ректификация является завершающей стадией разделения газовых смесей. Она применяется для получения индивидуальных углеводородов высокой чистоты. Поскольку разделение на компоненты смеси газов проводить затруднительно, при существующих схемах газоразделения на ректификацию подают жидкость, выделенную из газа конденсационно-компрессионным или абсорбционным методом.

Адсорбцию обычно применяют при небольших концентрациях поглощаемого вещества в исходной смеси, когда требуется достичь полного извлечения адсорбтива. В тех случаях, когда концентрация поглощаемого вещества в исходной смеси относительно невелика, обычно выгоднее использовать абсорбцию. Недостатком метода абсорбции является необходимость обязательно удалять из газовой смеси тяжелые углеводороды, т. к. при десорбции они плохо удаляются из абсорбента.

Конденсация — первая стадия разделения газов. С помощью конденсации газ превращается в двухфазную систему жидкость — газ, которую механически разделяют на газ и жидкость.

Компрессия применяется в схемах разделения газов совместно с конденсацией. При повышении давления газов создаются наиболее благоприятные условия конденсации углеводородов. Из компримированного газа в первую очередь конденсируются наиболее тяжелые компоненты.

Преимуществом процесса абсорбции является то, что если, не изменяя температуры, повысить давление над раствором, то в жидкость перейдут новые количества газа. Увеличение давления способствует абсорбции.

Существуют следующие способы и технологические схемы отбензинивания газа:

1) низкотемпературная абсорбция (НТА);

2) низкотемпературная конденсация (НТК) с использованием только хладоагентов;

3) низкотемпературная конденсация и ректификация (НТК) с использованием турбодетандеров;

4) низкотемпературная конденсация и ректификация (НТКР) с комбинированной системой охлаждения с использованием хладоагента (первая ступень охлаждения) и турбодетандера (вторая ступень охлаждения).

Эффективность всех выше приведенных методов характеризуется степенью извлечения пропана (табл.2).

Таблица 2 Степень извлечения этана, пропана, бутанов в зависимости от используемого низкотемпературного процесса

Степень извлечения индивидуальных газов, %

НТК с пропановым холодильным циклом

НТК с пропанэтановым холодильным циклом

Турбодетандорный процесс с пропановым холодильным циклом

Турбодетандорный процесс с пропанэтановым холодильным циклом

При определенной температуре любое химически чистое вещество, находящееся под давлением, отличающимся от давления его насыщенных паров, может существовать в паровой или жидкой фазе. Если приложить давление больше давления насыщенных паров рассматриваемого вещества, то это вещество в чистом виде представляет собой жидкость, если же приложенное давление меньше давления насыщенных паров, то чистое вещество находится в газообразном агрегатном состоянии.

Однако, то же вещество, рассматриваемое как компонент раствора, может находиться в паровой фазе, в то время как давление его насыщенных паров при данной температуре меньше общего давления системы, и, наоборот, оно может быть жидким, хотя давление насыщенных его паров при данной температуре выше общего давления системы.

Парциальное давление каждого компонента, входящего в состав газовой смеси, прямо пропорционально его молярной концентрации. Если газ, находящийся при постоянной температуре подвергнуть сжатию (изотермический процесс), то повысится общее давление системы, а также парциальное давление каждого компонента, входящего в состав смеси. При дальнейшем сжатии наступает момент, когда парциальное давление какого-либо компонента становится равным давлению насыщенного пара этого компонента при данной температуре смеси. Несмотря на увеличение общего давления, рост парциального давления компонента прекратится, и он начнет переходить в жидкое состояние. Система из однофазной превратится в двухфазную. В образовавшемся конденсате будут растворяться в различной степени и другие компоненты газовой смеси.

При изотермическом сжатии количество жидкости, выпавшей из газа, сначала возрастает, а затем по мере дальнейшего повышения давления начинает уменьшаться — она как бы вновь растворяется в газе. Максимальное количество жидкости выпадает при давлении 5-9 МПа. При установившихся значениях давлении и температуры наступает переход компонентов из одной фазы в другую.

Конденсат из газа будет выпадать при понижении температуры смеси, если давление остается неизменным (изобарический процесс); постоянными будут и значения парциальных давлений компонентов.

Конденсат начнет выпадать при той температуре, при которой давление насыщенного пара какого-либо компонента в чистом виде станет равным парциальному давлению этого компонента в газовой смеси. При дальнейшем понижении температуры парциальное давление будет уменьшаться и всегда будет равно давлению насыщенного пара для каждого значения температуры. В образовавшемся конденсате будут растворяться другие углеводороды смеси, включая и метан.

источник