Рекомендации по очистке промышленных газов

1 августа 2019 г. | Брайан Уоррик и Дэн Спон, Applied Energy Systems, Inc.

Требования к чистоте и свойствам газа требуют различных методов очистки промышленных газов. Здесь представлены ключевые соображения по выбору технологии очистки газа.

Промышленные газы имеют решающее значение для широкого спектра применений в химической промышленности (CPI). В большинстве случаев промышленные газы производятся с определенной степенью чистоты, что означает, что они могут содержать лишь ограниченное количество загрязняющих веществ. Во многих случаях газы, поставляемые поставщиками, могут не соответствовать технологическим спецификациям для данного процесса, а это означает, что газ потребует очистки для дальнейшего снижения содержания загрязняющих веществ. Лучшее понимание процессов производства, хранения и разделения промышленных газов может помочь в выборе технологии очистки газа, отвечающей технологическим потребностям. На выбор типа газоочистителя может повлиять ряд ключевых факторов. К ним относятся следующие: способ добычи газа; чистота источника газа; как упаковывается источник газа; вид молекул примесей, которые необходимо удалить, и ожидаемая чистота; а также выбор носителя, емкость носителя, скорость подачи, дизайн упаковки и требования к доставке. В данной статье рассматривается производство промышленных газов с точки зрения методов очистки, хранения, безопасности и транспортировки.

Существует множество методов получения газа, но в этой статье мы в основном будем рассматривать физическое разделение компонентов (например, азота из воздуха или водорода из природного газа), а не получение газов посредством химических реакций. В результате реакций образуются газы, такие как аммиак, с использованием процесса Габера-Боша. Другие реакции создают такие газы, как NO, SiH4, PH3 и т. д., которые обычно используются в электронной промышленности.

Физическое разделение газов основано на мембранных, каталитических и адсорбционных процессах, криогенной дистилляции и других технологиях. Здесь обсуждаются некоторые распространенные из них.

Мембранное разделение. В распространенной технологии разделения воздуха используются 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, а на один конец подается сжатый воздух. Стенка волокна проницаема для газов, но скорость диффузии через стенку волокна зависит от газа. Воздух, кислород, углекислый газ, аргон и другие микропримеси проходят через стену быстрее, чем азот, и направляются в вентиляционное отверстие. Азот выходит из мембранной системы с типичной чистотой более 95%. Чистота, достигаемая с помощью мембранной системы, может варьироваться пользователем путем регулирования потока через систему. Преимущество мембранной системы заключается в отсутствии движущихся частей, но чистота на выходе может меняться в зависимости от расхода.

Рисунок 1. В устройствах мембранного разделения, используемых в тех случаях, когда требования к чистоте не являются строгими, используются половолоконные мембраны для отделения азота от кислорода.

Адсорбция при переменном давлении. Адсорбция при переменном давлении (PSA) и адсорбция при переменном давлении в вакууме (VPSA) используются там, где требования к чистоте выше. Если 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 (рис. 3) используется для производства флоат-стекла и кислорода медицинского назначения на месте.

Рисунок 2. Газы можно очищать с использованием различных очищающих сред, включая цеолиты, металлические сплавы и другие.

Рисунок 3. Вакуумная адсорбция с переменным давлением используется, когда требования к чистоте газа выше.

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 силами 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.

3H2 + CO/p>