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工业气体的精制分离方法

作者:柱状活性炭 日期:2018-06-07 10:26:26 人气:

工业气体的精制分离方法

精制是在含有主要有效成分的介质中,用活性炭吸附除去不需要的杂质成分,以提高产品价值的操作;分离是将集中成分组成的气体或液体,利用柱状活性炭的吸附作用分离成不同成分或成分组合的操作。

气体分离技术从20世纪初开始发展,目前已广泛应用。如空气分离以制取氧、氮、氩及稀有气体;合成氨池放气分离获得氢或氢氮混合气等。科学技术的发展对气体分离技术不断提出新的要求,如经济合理地提供各种纯度的气体,综合利用工业废气以及进一步提纯中间产品等。常用的方法有薄膜渗透法、吸收法、分凝法、精馏分离法、吸附法。

1.薄膜渗透法

利用混合气体中各组分对有机聚合膜的渗透性差别而使混合气体分离的方法。这种分离过程不需要发生相态的变化,不需要高温或深冷,并且设备简单、占地面积小、操作方便。

有机聚合膜分均相无孔膜和微孔膜两种。在微孔膜内存在着固定的孔隙,气体以流体流动的方式穿过薄膜;而在均相无孔膜中,没有固定的孔隙,但由于聚合膜分子的热运动而产生分子链节间的空隙,这些空隙的位置和大小不断变化着,气体分子是以活性扩散的方式由这一空隙跳入另一空隙逐步渗透聚合膜。

一般认为气体通过聚合膜的渗透过程主要分为三步:

(1)气体以分子状态在膜表面溶解;

(2)气体分子在膜的内部向自由能降低的方向扩散;

(3)气体分子在膜的另一表面解析或蒸发。

薄膜渗透法的应用有:从天然气中提取氦,是目前世界上膜分离应用研究较多的一个领域;分离空气制富氧,具有装置简单、操作方便等优点,只需将原料空气增压,不需对空气干燥、净化,也不需要吸附、冷冻、复热等操作工艺;二氧化碳——氧的分离;氮-氢-氨的分离,用于合成氨池放气的回收利用;石油炼气中氢气的回收;燃烧气中二氧化硫的脱除,以解决空气污染的问题。

2.吸收法

用适当的液体溶剂来处理气体混合物,使其中一个或几个组分溶解于溶剂中,从而达到分离的目的,这种方法称为吸收法。在吸收过程中,被溶解的气体组分为溶质(或吸收质),所用的液体溶剂为吸收剂,不被溶解的气体为惰性气体。

吸收法的基本原理是利用气体混合物中各组分在吸收剂中溶解度的不同,从而将其中溶解度大的组分分离出来。

气体与液体接触,则气体溶解在液体中。在气液两相经过相当长时间的接触后,达到平衡,气体溶解过程终止。这时单位量液体所溶解的气体量叫平衡溶解度。它的数值通常由实验测定。

溶于液体中的溶质,必然产生一定的分压,当溶质产生的分压与气相中该组分的分压相等时,气液达到平衡,溶解过程终止。当气相中该组分的分压大于其在溶液中产生的分压,则溶解过程继续进行。氨溶于水中时它的分压大于其在溶液中产生的分压,则溶解过程继续进行。氨溶于水中时它的分压很小,但氧溶于水中时产生的分压就很大,这就是通常说的氨易溶于水,氧微溶于水。可见溶液中溶解气体产生的分压愈低,则其溶解度愈大。

气体的平衡溶解度还受温度的影响:温度上升,气体的溶解度将显著下降,因此控制吸收操作的温度是非常重要的。吸收剂的选择遵循以下原则:

(1)对于被吸收的气体具有较大的溶解度,这样可以减少液体用量,从而缩小设备,减小能量消耗;

(2)选择性能好;

(3)具有蒸气压低、不发泡、冰点低的特性,使吸收剂损失较小;

(4)腐蚀性小,尽可能无毒,不易燃烧,黏度较低,化学稳定性好;

(5)价廉,容易得到。

要找到一种吸收剂满足上述全部要求时很困难的,因此,实际上应根据具体情况,选择适当的吸收剂。

3.分凝法

分凝法亦称部分冷凝法,它是根据混合气体中各组分冷凝温度的不同,当混合气体冷却到某一温度后,高沸点组分凝结成液体,而低沸点组分仍未气体,这时将气体和液体分离即将混合气种的组分分离。

天然气、石油气、焦炉气以及合成氨池放气都是多组分混合气。实现它们的分离往往需要在若干个分离级中分阶段进行,在每一级中组分摩尔分数将发生显著变化,如图3-1所示,多组分气体混合物当被冷却到某一温度水平时,进入分离器,将已冷凝组分分离出去,然后再进入下一级冷凝器,继续降温并分凝。一个冷凝器和一个分离器组成一个冷凝级。从工艺的角度来考虑,冷凝级数主要是根据需回收组分的要求来确定的,但同时要保证在分凝器中不会出现高沸点组分被冻结的现象。比如采用分凝法分离合成氨池放气各组分的分凝,当压力为3000Kpa左右时,要求回收纯度较高的甲烷,富氩馏分及纯氢时,可分三级进行;第一级冷凝温度控制在150K左右,分离后得到纯度较高的甲烷凝液;第二级终了温度控制在120K左右,分离后得到富氩凝分;第三级终了温度控制在63K左右,可获得较高纯度的氢气。

分离器装置示意

分凝法分类:在分凝的过程中,按被冷凝的混合气体和已冷凝的液体流向的异同,分为并流冷凝和逆流冷凝两类(注意两类冷凝方式中,被冷凝的气体与同它进行热交换的冷物流都是逆流换热的)。所谓并流冷凝是指被冷凝气流与不断冷凝下来的冷凝液流向是一致的。在逆流冷凝中被冷凝气体由下往上流动,而已冷凝液体却是由上向下流动,两者流向相反。两种冷凝方式,各有其特点。

(1)从温度分布看:如果冷物流在换热时没有相的变化,则进口温度低于出口温度,并流冷凝时冷凝器底部温度较低,而顶部温度较高;在逆流冷凝时正好相反。可见,单就温度分布来看,并流冷凝的分离程度要更佳完全。如果冷物流在换热过程中有相变,其温度几乎不变,则并流冷凝这一特点就不显著了。

(2)从气液相中组分的摩尔分数分布看:在分凝过程中,使高沸点组分不断转入液相的推动力是气相与液相中组分的摩尔分数差。在并流冷凝时,愈接近冷凝器底部温度愈低,则气相中高沸点组分摩尔分数愈小,在出口处几乎达到气液平衡,高沸点组分继续被转入液相的推动力小了,故并流冷凝时冷凝液的高沸点组分摩尔分数较小。

在逆流冷凝时,器底温度虽较高,但与冷凝液接触的是待分离的新鲜原料气,尽管冷凝液中高沸点组分摩尔分数高,可是气相中高沸点组分摩尔分数也高,转入液相的推动力仍较大:最终冷凝法与原料气达到气液平衡,故冷凝液中高沸点组分的摩尔分数较高。

根据以上分析,当冷物流无相变时,以采用并流冷凝为宜;如果冷物流有相变时,则以采用逆流为宜。

4.精馏分离法

气体混合物冷凝为液体后成为均匀的溶液,虽然各组分均能挥发,但有的组分易挥发,有的组分难挥发,在溶液部分气化时,气相中含有易挥发组分将比液相中的多,使原来的混合液达到某种程度的分离;而当混合气体部分冷凝时,冷凝液中所含的难挥发组分将比气相中的为多,也能达到一定程度的分离。虽然这种分离是不完全的,与所要求的纯度相差很多,但可利用上述方法反复进行,使能逐步达到所要求的纯度,这种分离气体的方法称为精馏。

在工业中,用精馏方法分离液体混合物的应用是很广泛的,如石油炼制中,将原油分为汽油、煤油、柴油等系列产品,氨水溶液分离、氢和重氢分离、氧和氮分离等,精馏方法特别适宜于被分离组分沸点相近的情况,因为用这种分离方法通常是大规模生产中最经济的。

5.吸附法

气体混合物的吸附分离是依靠各组分在固体吸附能力的差异而进行的。用来吸附可吸附组分的固体物质称为吸附剂,被吸附的组分称为吸附质,不被吸附剂吸附的气体叫惰性气体。

工业吸附剂应具有下列性质:对吸附质有高的吸附能力;有高的选择性;有足够的机械强度;化学性质稳定;供应量大:能多次再生;价格低廉。目前主要使用的吸附剂有活性炭、硅胶、活性氧化铝及沸石分子筛。

表3-1列举一些常用吸附剂的特性。

性能 球形硅胶 活性氧化铝 活性炭 沸石分子筛
细孔 粗孔 4A 5A 13X
堆积密度/(g/ml) 670 450 780-850 400-540 500-800
视密度/(g/cm3) 1.2-1.3 - 1.5-1.7 0.7-0.9 0.9-1.2
真密度/(g/cm3) 2.1-2.3 - 2.6-3.3 1.6-2.1 2-2.5
空隙率/% 43 50 44-50 44-52 -
孔隙率/% 24 30 40-50 50-60 47 47 50
孔径/nm 25-40 80-100 72 12-32 4.8 5.5 10
粒度/% 2.5-7 4-8 3-6 1-7 3-5
比表面积/(m2/g) 500-600 100-300 300 800-1050 800 700-800 800-1000
热导率[W/(m·K)] 0.198 0.198 0.13 0.14 0.589
比容热[J/(kg·℃)] 1 1 0.879 0.837 0.879
再生温度/℃ 453-473 533 378-393 423-573
机械强度/% 94-98 80-95 95 - >90
pH值 - 7-9 - - 9-11.5

(1)堆密度;即包括孔隙和粒见空隙体积在内的单位体积质量。

(2)视密度;包括孔隙的单位体积质量。

(3)真密度:去除孔隙和粒间空隙体积的单位体积质量。

综合上述几种分离精制工业气体的方法,从经济效益、成本、设备和其效果来看,吸附法已经成功地应用于工业,工艺路线也比较成熟。

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