Методы и принципы разделения газов, широко используемые в промышленности

Thread Content

Методы и принципы разделения газов, широко используемые в промышленности. К числу наиболее распространенных промышленных газов относятся кислород, азот, аргон, углекислый газ, жидкий аммиак, жидкий хлор, ацетилен, водород и другие. Существует множество способов производства промышленных газов; ниже кратко описаны некоторые из наиболее распространенных методов. I. Кислород. Основными методами производства промышленного кислорода являются метод ликвидации и сепарации воздуха с последующей дистилляцией (сокращенно — метод разделения воздуха), электролиз воды и метод адсорбции при изменяющемся давлении. Процесс производства кислорода с помощью метода разделения газов включает следующие этапы: поглощение воздуха → колонна для поглощения углекислого газа → компрессор → охладитель → осушитель → холодильник → устройство для ликвидации газа → устройство для отделения масла → резервуар для газа → компрессор кислорода → заправка газом. Основной принцип заключается в том, что воздух сначала сжижается, а затем, благодаря различию температур кипения его составляющих, происходит их разделение и ректификация в специальном устройстве для получения кислорода. Исследования, разработка и внедрение крупных установок для производства кислорода позволили снизить энергопотребление при его производстве, а также облегчили производство различных продуктов, получаемых в результате разделения воздуха (например, азота, аргона и других инертных газов). Для удобства хранения и транспортировки жидкий кислород, полученный в результате разделения с помощью ликвидационного сепаратора, подается насосом в резервуары для хранения низкотемпературных жидкостей, а затем транспортируется цистернами на различные станции заправки перманентными газами при низких температурах. Жидкий азот и жидкий аргон также хранят и транспортируют с использованием этого метода. II. Азот Основными методами производства промышленного азота являются метод разделения газов под действием давления, метод адсорбции при изменении давления, метод мембранной сепарации и метод сгорания. 　　Азот, получаемый методом разделения газов, обладает высокой чистотой и требует низкого энергопотребления. Технология получения азота с использованием процесса трансформационной адсорбции предусматривает использование углеродных молекулярных ситов типа 5A для селективной адсорбции компонентов воздуха с целью разделения кислорода и азота с последующим получением азота. Продукт в виде азота имеет высокое давление, низкий уровень энергопотребления, а его чистота соответствует стандартным требованиям: чистота промышленного азота составляет ≥98,5%, а чистоты чистого азота — ≥99,95%. III. Аргон Аргон – это наиболее распространенный инертный газ в атмосфере. Основным способом его получения является процесс разделения газов в воздухе. В процессе производства кислорода жидкий аргон получают путем отделения фракции с температурой кипения около -185,9°C из сепаратора для разжижения. IV. Углекислый газ Основными способами получения углекислого газа являются: его образование в качестве побочного продукта при производстве извести, образование углекислого газа в процессе брожения при производстве алкоголя, образование углекислого газа в результате сгорания тяжелого нефтяного топлива и кокса, а также образование углекислого газа в качестве побочного продукта в промышленности по производству аммиака. В настоящее время основными исходными материалами для производства синтетического аммиака являются газы, получаемые в нефтеперерабатывающих заводах, газы коксовых печей и уголь. Основными компонентами этих газов являются углеводороды с различным соотношением водорода и углерода, а также элементарный углерод. При высоких температурах эти газы взаимодействуют с водяным паром, в результате чего образуется синтез-газ, в состав которого входят водород и монооксид углерода. Монооксид углерода затем преобразуется в диоксид углерода. Методы очистки углекислого газа включают: метод абсорбции, метод адсорбционной дистилляции, метод мембрановой сепарации и метод изменения давления. V. Аммиак Метод получения аммиака в основном заключается в его прямом синтезе. Процесс синтеза аммиака заключается в следующем: в водогазовой печи к красному углю подается воздух и водяной пар. В результате образуется смесь азота и водорода. Затем с помощью процедур промывки, теплообмена, конденсации углекислого газа и его поглощения получается исходный газ для дальнейшей переработки. Очищенная смесь газов проходит через фильтры, охладители, устройства для разделения аммиака и нагреватели, после чего поступает в реактор для синтеза; затем в специальном разделительном устройстве выделяется жидкий аммиак. VI. Хлор Основным способом получения хлора в промышленности является электролиз насыщенного раствора соли. Хлор высокой чистоты получают при электролизе расплавленных хлоридов для получения активных металлов. С помощью воздуха или кислорода можно каталитически окислять хлорид водорода, побочный продукт промышленности органического синтеза, превращая его в хлор. VII. Ацетилен Основными способами получения ацетилена являются гидролиз карбида кальция, разложение метана или углеводородов при высоких температурах, а также плазменное разложение. Процесс гидролиза карбида кальция имеет короткий цикл производства и высокую чистоту продукта, однако требует больших энергозатрат. Этот метод используется в большинстве случаев при производстве растворенного ацетилина. Исходя из свойств растворимости ацетилина, газ ацетилен сжимается и вводится в растворитель; затем смесь хранится в стальном баллоне, заполненном пористым наполнителем. Бутан, являясь отличным растворителем, используется в баллонах в виде наполнителя для растворения и высвобождения ацетилена. Его функция заключается в увеличении эффективного объема баллона и снижении взрывоопасности ацетилена. Функция пористого наполнителя из кальцийсиликата заключается в равномерном поглощении пропана и предотвращении распространения взрыва, вызванного разложением ацетилена. Распространение использования баллонов с растворенным ацетиленом облегчает процесс использования и повышает эффективность работы, к тому же способствует улучшению окружающей среды и сокращает расход кальция. Однако необходимо обеспечить, чтобы пористый наполнитель внутри баллона не повреждался и не загрязнялся. Количество растворителя должно соответствовать потребностям для хранения ацетилена, что позволит обеспечить безопасность и надежность. Процесс производства и заправки растворенного ацетилена заключается в следующем: сначала получаем грубый ацетилен, который затем подвергается химической очистке с целью удаления примесей, таких как сера и фосфор. После этого ацетилен сжимается и осушается, после чего заполняется в баллоны для хранения растворенного ацетилена. VIII. Водород. Основными способами производства промышленного водорода являются: получение водорода путем сгорания минералов, электролиз воды, а также получение водорода с помощью процесса полугазообразного угольного газа. Метод производства водорода путем электролиза обладает надежностью, простотой в эксплуатации и удобством технического обслуживания; он не вызывает загрязнения окружающей среды, а получаемый водород имеет высокую чистоту. Однако он требует большого количества электроэнергии, из-за чего стоимость производства остается высокой. Это создает определенные ограничения для его развития. Продукт этого метода в основном поставляется пользователям, которые требуют высокой чистоты водорода и потребляют его в небольших количествах. Однако с внедрением новых технологий произошло улучшение методов водного электролиза, что привело к снижению затрат на производство водорода путем электролиза воды, а также к сокращению энергопотребления. Это делает этот метод одним из основных способов производства «чистой энергии». В настоящее время исследуются и разрабатываются такие методы производства водорода, как электрохимическое разложение воды с получением водорода и производство водорода с помощью фотокатализа. Перепечатано с: Химия 707