第四章-2 气体分离和纯化系统.pptVIP

Institute of Refrigeration and Cryogenics 第四章 气体分离与纯化系统 主要内容 变压吸附 膜分离技术 实际气体分离系统 气体纯化方法 1、变压吸附 吸附分离原理：利用吸附剂对混合气体中不同组分的选择性吸附来分离气体。 吸附分离的类型 变温吸附TSA：利用不同温度下吸附量不同的原理实现吸附分离过程。低温吸附，加温脱附。 变压吸附PSA：利用不同压力下吸附量不同的原理实现吸附分离过程。加压吸附，降压脱附。 真空变压吸附VPSA：降压至真空的PSA。 吸附分离性能指标：产品纯度、产品回收率、产量。 对吸附剂的要求 对吸附质有大的吸附能力 有高度的选择性 能再生和多次使用 有足够的机械强度 化学性质稳定 供应量大 价格低 目前主要有以下几种吸附剂：活性炭、硅胶、活性氧化铝和沸石分子筛。 工业吸附剂性质 作为吸附剂的沸石分子筛有下列特点： 有极强的吸附选择性。 在气体组分浓度低(分压低)的情况下，具有较大的吸附能力 3A型沸石；b) 4A c) 5A； d) 10X e) 13X； f) 分子筛炭 g) 活性炭 沸石分子筛 吸附平衡与吸附等温线 在一定温度和压力下，当脱附速度和吸附速度相等时，便达到吸附平衡。在平衡条件下吸附物质的多少用吸附量表示。 吸附平衡数据表示方式主要有三种:吸附等温线，吸附等压线和吸附等量线，最常用的是吸附等温线。 最早的无热吸附吸附循环，它是两床设备 循环过程为：在吸附阶段后，第一床被泄压到大气压，同时，受压缩的原料混合气被送到第二床以充压，然后在进料压力下开始吸附阶段。一部分由第二床出来的纯化气以逆流方式通过第一床，在低压(大气压)下吹扫床层，使吸附剂活化，以准备下一次循环。特点: 为“保存吸附热”应保持短的循环和低产量。 用于低压吹扫气的体积至少不少于高压原料气的体积。 Skarstrom变压吸附循环 2、膜分离技术 利用膜对气体的选择性透过特性实现气体分离 ： 分离过程中没有相变, 过程简单, 可在常温下进行操作, 减少能源的消耗。 与传统的空分装置相比，能耗低。要下降(30～60)％。特别是分离共沸物质, 有独特的优越性. 重量轻，占地面积小，纯度高，工作压力的范围宽。 氮气纯度可达99.9%, 生产的氮气非常干燥，露点温度可达-100℃。 效率高，每kg膜纤维连续的生产能力比变压吸附要大。 没有运动部件，几乎用不着维护，因此维护费用少, 高效率和高可靠性降低了操作运行费用。 设备简单、机动性好，只要有一个压缩空气的气源，就可以连续地工作，而且可以省去贮运气体或液体的设备。 膜组件 膜分离设备中的关键是膜组件: 从气体分离的机理分:多孔型膜和非多孔型膜。 从材料性质分:有机膜（高分子膜）和无机膜。 从膜组件的结构型式分:中空纤维型和平板型两种。 用于空气分离装置的膜组件主要是中空纤维型。 膜的性能要求 气体膜分离装置是通过膜壁对气体渗透来实现的。用于气体分离的膜有两种类型: 多孔型膜 非多孔型膜 膜的性能要求: 具有很高的气体渗透通量和高的选择性，能在高压下工作，抗杂质的能力要强，而且要长期保持高的效率。 3、实际气体分离系统 低温气体获得方法 氧氮氩氖氪：从空气中分离获得。用低温法可获得各种高纯气体。PSA可获得高纯氮。用PSA可获得较低纯度的氧。 氢：从煤气混合气中分离（低温或PSA），水电解，氨或甲醇裂解；烃（甲烷）重整。 氦：含氦天然气。低温冷凝。 林德单塔系统 林德－汉普逊循环 * 采用基本的林德－汉普逊液化系统，用精馏塔代替了储液器。 林德的单塔系统有两大缺点：1)仅能得到纯氧产品，2)污氮放空浪费了大量的氧。 林德单塔系统 N2 90%+O210% 林德的单塔系统 用上塔的液O2冷凝下塔的气氮 冷量的内部利用问题 507 kPa时氮的沸点为94.2K 101.3 kPa的氧的沸点90.2K 507kPa 101.3kPa 20MPa 林德双塔系统 4 气体纯化方法 去除气体中少量杂质称为纯化。 在空分或天然气液化流程中，原料气一般都需要纯化，或称预净化。 两种纯化方式: 冷凝纯化：如从空气中去除水，二氧化碳； 吸附纯化：如从空气中分离氩。 * 冷凝纯化 最简单方法：通过冷却将混合气中杂质气体冷凝或冻结 分离效率：取决于制冷温度下的杂质气体的分压 若气体间的蒸汽压非常接近（例 ：氧和氮），则冷凝纯化法无效。 若气体间蒸汽压相差很大（例：水蒸汽和空气），那么这种方法对去除杂质气体非常有效。 * 吸附纯化 吸附(固体对气体)：当气体与固体接触时，在固体表面或内部发生容纳气体的现象。 解吸或脱附：已被吸附的原子或分子返回气相或液相中去。 吸附可分为物理吸附和化学吸附两类: 物理吸附是气体