Блог

Nov 07, 2023

Факты на кончиках ваших пальцев: физический газ

1 мая 2022 г. | Скотт Дженкинс, журнал Chemical Engineering

1 мая 2022 г. | Скотт Дженкинс, журнал Chemical Engineering

Промышленные газы имеют решающее значение для широкого спектра применений в химической промышленности (CPI). Многие из этих газов необходимо отделять от других, таких как азот из воздуха или водород из природного газа, с использованием методов физического разделения газов, которые включают мембранное разделение, каталитические и адсорбционные процессы, криогенную дистилляцию и другие технологии. Здесь обсуждаются несколько распространенных методов.

Мембранное разделение использует половолоконные мембраны для отделения азота от кислорода (рис. 1). Мембранная технология обычно используется, когда требования к чистоте не являются строгими. Внутри мембранной системы многие тысячи полых волокон помещены в корпус, и на один конец подается сжатый воздух. Стенка волокна проницаема для газов, но скорость диффузии через стенку волокна варьируется в зависимости от типа газа. Воздух, кислород, углекислый газ, аргон и другие микропримеси проходят через стену с большей скоростью, чем азот, и удаляются. Азот выходит из мембранной системы с типичной чистотой более 95%. Пользователи могут регулировать поток через систему, чтобы варьировать чистоту, достигаемую мембранной системой. Преимущество мембранной системы заключается в отсутствии движущихся частей, но чистота на выходе может меняться в зависимости от расхода.

РИСУНОК 1. Методы мембранного разделения используются в тех случаях, когда требования к чистоте не особенно строгие.

Адсорбция при переменном давлении (PSA) и вакуумная адсорбция при переменном давлении (VPSA) используются в ситуациях, требующих более высокой чистоты. Когда требуется разделение примесей на высоком уровне частей на миллион (ppm), а не на процентном уровне, можно использовать PSA (рис. 2). Системы PSA обычно используются для предварительной очистки газов, поступающих в криогенный процесс, и для очистки водорода. Технология VPSA используется для производства флоат-стекла и кислорода медицинского назначения на месте.

РИСУНОК 2. Адсорбция при перепаде давления является вариантом, когда отделение примесей должно достигать высокого уровня миллионных долей.

Системы PSA состоят из пар сосудов, работающих параллельно, или они могут быть спроектированы в конфигурациях с несколькими сосудами, включенными последовательно. Каждый сосуд заполнен адсорбционной средой, такой как углеродные молекулярные сита, цеолиты и древесный уголь. Исходный газ, подлежащий очистке, проходит через одну или несколько емкостей, работающих под давлением, обычно превышающим 100 фунтов на квадратный дюйм. Примеси в потоке исходного газа физически адсорбируются (физосорбция) на поверхности среды под действием сил Ван-дер-Ваальса (слабые связи, создаваемые короткодействующими электростатическими взаимодействиями между молекулярными диполями). Системы PSA работают, используя различное поведение адсорбции при разных давлениях и температурах. Адсорбционные места занимают молекулы примесей, а нужный газ проходит через среду. Емкость для каждой примеси варьируется в зависимости от выбора среды, часто определяемой размером пор. Поскольку молекулы примесей прорываются через сосуды PSA, среда требует регенерации для удаления адсорбированных примесей. В системе PSA резервуар изолируется, и газ быстро сбрасывается до атмосферного давления, что высвобождает захваченные примеси. Затем в сосуде восстанавливается давление, и он готов к поступлению большего количества исходного газа. Эта регенерация может быть завершена за время цикла от минут до часов. Для отделения азота или кислорода от воздуха цикл обычно короткий.

Когда требуется чистота газа с низким уровнем PPM, обычно используется криогенная перегонка. Криогенные процессы основаны на физическом разделении газов по точкам их кипения. Многие газы можно разделить криогенно, но здесь описано разделение воздуха. Сжатый воздух охлаждается, а затем проходит через молекулярное сито для удаления влаги, углеводородов и диоксида углерода перед поступлением в дистилляционную колонну. Газ, поступающий в колонну, охлаждается до криогенных температур от выходящих газов. Для поддержания баланса холода, необходимого для поддержания процесса, часто используется расширительная турбина. Воздух поднимается по колонне через ряд тарелок против флегмы, которая стекает вниз по колонне. Разделение газов происходит из-за разной температуры кипения. Азот с чистотой 99,999% или выше может поставляться непосредственно в виде пара или в сжиженном виде для криогенной доставки. Примеси в азоте обычно включают окись углерода и водород, которые имеют одинаковую или более низкую температуру кипения.