Бродянский В.М., Калинина Е.И.
Разделение газовых смесей

Глава первая.
Методы низкотемпературного разделения смесей и области их использования

1-1. Характеристика промышленных газовых смесей и продуктов их разделения

Широкое использование различных газов в народном хозяйстве вызывает необходимость их получения в достаточных количествах с необходимыми параметрами (состав, темпера тура, давление и агрегатное состояние) и при возможно меньших затратах. Как правило, получение газов при нужных параметрах неизменно связано с процессами разделения исходных смесей. Эти процессы осуществляются в крупном масштабе; количество производимых в промышленно развитых странах таких газов, как например, кислород или азот измеряется миллиардами кубометров в год.

В табл. 1-1 приведены основные газовые смеси и получаемые из них продукты разделения. Стрелками показано, какие продукты могут быть извлечены из каждой исходной смеси. Как видно из таблицы, газовые смеси и получаемые из них продукты разделения весьма разнообразны по физическим и химическим свойствам.

Таблица 1-1.

Разделяемые газовые смеси							Получаемые газы
Воздух	Природный газ	Коксовый газ	Водяной газ	Газ синтеза аммиака	Газ крекинга нефти	Дымовые газы
х	х	х	х	х	х	х	Кислород, O2
х	х	х	х	х	х	х	Азот, N2
х	х	х	х	х	х	х	Неон, Ne
х	х	х	х	х	х	х	Криптон, Kr
х	х	х	х	х	х	х	Ксенон, Xe
х	х	х	х	х	х	х	Аргон, Ar
		х	х	х	х	х	Водород, H2
		х	х	х	х	х	Дейтерий, D2
	х	х	х	х	х	х	Гелий, He
	х	х	х	х	х	х	Метан, CH4
	х	х	х	х	х	х	Этан, C2H6
	х	х	х	х	х	х	Пропан, C3H8
	х	х	х	х	х	х	Бутан, C4H10
					х	х	Пропилен, C3H6
		х	х	х	х	х	Этилен, C2H4
						х	Углекислый газ, CO2
		х	х	х	х	х	Окись углерода, CO

Большинство получаемых при разделении газов (за исключением углеводородов от С₂ и выше и углекислого газа) представляют собой криоагенты, т.е. имеют нормальные температуры конденсации в широкой интервале температур ниже 120K. Это обстоятельство определяет возможность использования для разделения смесей этих газов низкотемпературных методов, которые в большинстве случаев оказываются экономически наиболее выгодными.

1-2. Методы низкотемпературного разделения смесей

Многочисленные методы разделения газовых смесей, применяемые и технике [1, 2] , основаны на использовании тех или иных отличий в свойствах веществ, входящих в смесь.

Некоторые из них (гравитационный основанный на использовании разницы в молекулярных весах газов, термодиффузионный, при котором используется диффузия в противоположных направлениях тяжелых и легких молекул под действием температурного градиента, и химический, при котором используется связывание некоторых из частей смеси путем химических реакций) непригодны или экономически невыгодны при больших масштабах производства.

Сорбционные способы – адсорбционный и абсорбционный, применяются в технике разделения газов, но, как правило, более выгодны при малых количествах разделяемой смеси. Адсорбционный способ разделения и очистки газовых смесей широко используется как при температурах, близких к температурам окружающей среды, так и при криогенных [2, 3, 4].

Диффузионный способ основан на различной проницаемости тонких перегородок для тех или иных составляющих газовой смеси. Разработка мембран, обладающих такой селективностью (избирательностью), и систем разделения, в которых это свойство используется для разделения смесей, ведется весьма интенсивно. В качестве примеров таких селективных мембран можно назвать платину (при нагреве пропускает H2), кварцевое стекло (пропускает Не), некоторые полимеры пропускают кислород лучше, чем азот [5].

Однако диффузионный метод пока находит ограниченное применение как вследствие необходимости иметь в ограниченном объеме большую поверхность тонких мембран, измеряемую тысячами кв. метров, так и больших удельных энергетических затрат на проталкивание газа через мембраны.

Наконец, нужно упомянуть магнитный метод разделения, применимый, в принципе, только для выделения из смеси газов с заметными парамагнитными свойствами (кислород и закись азота). Попытки создать технически приемлемый магнитный способ выделения кислорода из воздуха пока не дали результата вследствие сравнительно малой магнитной восприимчивости кислорода.

Доминирующее место в промышленности занимают различные варианты конденсационно-испарительного метода разделения, основанного на использовании правила Коновалова, – разницы в составах равновесных паровой и жидкой фаз разделяемой смеси. Как уже указывалось, конденсация разделяемых газовых смесей требует низких температур, в большинстве случаев криогенных: этим и обусловлено содержание учебного пособия "Низкотемпературное разделение газовых смесей").

Конденсационно-испарительные методы разделения смесей могут быть периодическими и непрерывными. Первые, при которых параметры процесса меняются по времени, не применяются в современных установках и поэтому нами не рассматриваются; вторые, при которых поточный процесс протекает в стационарных по времени условиях, лежат в основе всех технических систем разделения.

Три вида конденсационно-испарительных процессов используются в технике низкотемпературного разделения: непрерывное испарение, непрерывная конденсация и, наконец, ректификация. Каждый из них имеет ряд модификаций. Анализ этих процессов применительно к низкотемпературной технике дан в третьей главе данного пособия.

Предварительно необходимо рассмотреть идеальные процессы разделения, энергетические показатели которых позволяют провести путем сопоставления оценку совершенства реальных технических процессов.

Следующая страница: 2.1. Минимальная работа разделения смеси на компоненты