книги из ГПНТБ / Иоффе, Вениамин Борисович. Основы производства водорода

газа гидрирования (именуемого в дальнейшем просто газом гидри­ рования) приведен в табл. 16.

Поступающий на установку разделения очищенный газ гидри­ рования отличается от коксового газа большим содержанием гомологов метана (в частности наличием углеводородов С4 и СБ), отсутствием кислорода и ароматических углеводородов (бензола), а также меньшим содержанием азота и окиси углерода.

Принципы получения технического водорода путем разделе­ ния газа гидрирования с применением глубокого охлаждения заключаются в следующем.

Газ гидрирования должен быть предварительно очищен от сероводорода, углекислоты, аммиака и влаги. Желательно уда­ лить из газа п органические соединения серы. Сероводород, угле­ кислота и аммиак, как правило, извлекаются из газа до поступле­ ния последнего на установку разделения. Влага удаляется на самой установке при охлаждении газа.

В соответствии с обычным режимом процессов гидрогениза­ ции топлив очищенный газ гидрирования приходит на установку под давлением 25 атм. Под этим давлением и ведется разделение газа.

При глубоком охлаждении газа гидрирования с целью получе­ ния водорода обычно выделяют следующие фракции с пример­ ным давлением на выходе из блока разделения:

Необходимый для выделения фракций холод обеспечивается азотным и этацовым холодильными циклами, а также системой аммиачного охлаждения.

Азотный холодильный цикл, состоящий из поршневого ком­ прессора (давление нагнетания 200 атм), теплообменной аппара­ туры и соответствующих дроссельных устройств предназначается для достижения низких температур, необходимых для конденса­

ции азота.

Этановый цикл служит для охлаждения разделяемого газа,

.жидкого этана и азота высокого давления.

Аммиачный цикл используется для предварительного охлаж­ дения газа гидрирования и выделения влаги, для охлаждения сжатого этана и азота высокого давления.

Технический водород из метан-водородной фракции

Метан-водородная фракция, получаемая при разделении газов пиролиза этана или пропана, либо других газов, содержит часто

иохлаждена в конечном итоге до температуры минус 207—209° С. Достижение указанных температур обеспечивается за счет

теплообмена охлаждаемой среды с жидким азотом, кипящим под вакуумом.

Если ограничиваются получением продукта концентрацией 90—95% Нг (когда в водороде остается практически весь азот, содержащийся в исходном газе), то в этом случае выделение водорода из метан-водородной фракции будет определяться фазо­ вым равновесием системы водород-метан. Из табл. 66 и рис. 63 видно, что заданным условиям будет соответствовать рабочее давление 20—40 атм и температуры порядка минус 180—185°С^

•теплообмене охлаждаемой среды с азотом, испаряющимся при небольшом положительном давлении (1,1—1,2 ата).

§ 3. Адсорбционный метод

За последние 10—12 лет в промышленной практике разделения газов начал применяться способ так называемой г и п е р с о рб- ц и и.

Лабораторные испытания и данные работы пилотных установок показали, что этот способ может быть применен; для выделения водорода из смесей его с углеводородными газами. При этом чистота извлекаемого водорода превышает 98%, а выход его

разделения компонентов газовой смеси используется подвижной слой активного угля.

По сравнению со стационарным слоем подвижной слой сорбента дает возможность намного увеличить производительность (считая на единицу объема поглотителя), значительно упростить обслуживание установки и уменьшить эксплуатационные расходы. В некоторых случаях применение гиперсорбции при разделении газов пред­ ставляется более целесообразным, чем использование низкотемпе­ ратурной фракционированной конденсации.

Для успешного проведения процесса гиперсорбции должен применяться мелкопористый высокоактивный уголь. Уголь дол­ жен иметь высокую селективность по отношению к извлекаемому веществу. Кроме того, уголь должен'легко отдавать адсорбиро­ ванное вещество, а также обладать высокой механической и до­ статочной термической прочностью.

Некоторые свойства активированного угля, применяемого в сорбционных процессах и, в частности, в процессе гиперсорб­ ции, приведены в табл. 67.

Основным аппаратом процесса непрерывного разделения газа при помощи активированного угля является г и п е р с о р б е р, представляющий собой колонну, внутри которой сверху вниз движется гранулированный сорбент. В гиперсорбере производится как поглощение компонентов из газовой смеси движущимся ак­ тивированным углем, так и выделение поглощенных компонентов и регенерация угля. Сообразно этому в колонне обычно предусма­ триваются следующие секции.

1. Секция а д с о р б ц и и , где свежий или регенерирован­ ный уголь, двигаясь противотоком по отношению к разделяемому газу, извлекает из последнего часть компонентов газовой смеси.

ника) и регулирующий кла­ пан отводится в сборник пневмоподъемника и далее по трубе пневмоподъемника транспортируется в бункер установки. В качестве транс­ портирующего агента может служить головная фракция исходной газовой смеси, не­ поглощенная углем, или ка­ кой-либо другой неконденсирующийся газ. Для цирку­ ляции транспортирующего газа предусматривается спе­ циальная газодувка.

Равномерность потока движущегося сорбента внутри колонны обеспечивается уста­ новкой по ее высоте несколь­

плиты, в отверстия которых ввальцованы обращенные книзу патрубки, диаметром 40—50 мм и высотой от 400 до 600 мм. Количество рас­ пределительных тарелок (при

Рис 64. Типовая схема гиперсорбциоииой установки при раз­ делении исходной смеси на три фракции:

276 Глава X I

Сопротивление слоя сорбента определяется относительной скоростью газа и угля, а также гранулометрическим составом последнего. В процессе работы уголь истирается и сопротивление его повышается. Обычно сопротивление одной секции колонны составляет 30—80 мм рт. ст.

Потери сорбента зависят от многих причин: от механической и термической прочности угля, от скорости транспортирующего газа в пневмоподъемнике, от конструктивного оформления отдель­ ных узлов разделительной колонны и др. Приемлемой величиной потерь угля вследствие износа следует считать 0,001—0,01% за один цикл прохождения сорбента.

Выше было указано, что способ гиперсорбции может быть использован для выделения водорода из смесей его с углеводород­ ными газами. Практический интерес представляет получение водорода высокой концентрации методом гиперсорбции из некото­ рых газов нефтепереработки, как, например, из отходящих газов каталитической ароматизации легких нефтяных фракций и из метан-водородных фракций.

Отходящие газы каталитической ароматизации состоят в основ­ ном из водорода, метана и гомологов последнего. Основными ком­ понентами метан-водородных фракций являются в большинстве случаев водород, метан, гомологи метана, низшие олефины и азот. Адсорбируемость на угле гомологов метана и олефинов значительно больше, чем метана и, тем более, водорода. Гомологи метана и олефины будут извлекаться из указанных газовых смесей легче других компонентов и при разделении смесей методом гиперсорб­ ции будут представлять собой нижний продукт колонны.

Азот по сравнению с углеводородами плохо адсорбируется активированным углем. Однако доля азота в метан-водородных фракциях обычно невелика (до 3—4 об.%), а при получении азо­ товодородной смеси присутствие азота в водороде не только допу­ стимо, но и желательно. В газах каталитической ароматизации азот, как правило, отсутствует. Поэтому эффективность выделе­ ния водорода из указанных выше газовых смесей будет, в конеч­ ном счете, определяться подбором наиболее целесообразных условий адсорбции метана из бинарной смеси метан — водо­ род.

Рассматривая полученные Н. В. Кельцевым (1957) изотермы адсорбции чистого метана при 17° С на углях F-23 и АГ-2 (рис. 65), можно заметить быстрый рост адсорбируемости метана с повы­ шением давления. Рост изотермы наблюдается до определенного давления, после которого кривая начинает сравнительно медленно снижаться. Максимальные значения адсорбционной способности по отношению к чистому метану для угля F-23 приходятся на область давлений 30—80 атм, а для угля АГ-2 от 20 до 60 атм. В то же время абсолютные значения адсорбционной способности

у угля АГ-2 в интервале давлений 30—60 атм в три с лишним раза меньше, чем у угля F-23.

Из сравнения изотерм адсорбции чистого метана с изотермами чистого водорода (рис. 66) явствует, что в интервале давлений 30—60 атм уголь АГ-2 поглощает метана в 7—8 раз больше, чем водорода. При снижении давления относительное превышение адсорбируемости метана над адсорбируемостью водорода на угле

парциального давления водорода в смеси. Из приведенных кривых явствует, что в условиях давления 11 ата адсорбируемость метана из смеси метан—водород меньше, чем в случае поглощения чистого

Для выделения водорода из смесей его с углеводородными газами (метаном) существенное значение имеет параметр давле­ ния, Оптимальными при углеадсорбционном разделении смеси метан — водород следует считать давления, находящиеся в интер­ вале от 10 до 30 атм. В указанной области давлений адсорбируе-

мость метана углем достаточно велика. В то же время в этих пре­ делах давлений превышение адсорбируемости метана над адсорбируемостью водорода при обработке их смесей составляет зна­ чительную величину. Немаловажным аргументом в пользу выбора вышеприведенных давлений при выделении водорода из его сме­ сей с углеводородами является и то обстоятельство, что в практи­ ческих условиях многие газы, состоящие в основном из водорода и метана (а также гомологов метана), как, например, отходящий

Рис. 67. Количество метана, адсорбируемого одним объемом угля из смеси метан — водород, в зависимости от содержания водорода в смеси (по данным

Потоловского, Спектора и Каминера).

газ платформинга, метан-водородная фракция после разделения пирогаза выделяются под давлением, находящимся обычно в пре­ делах от 15 до 35 атм.

Таким образом, для углеадсорбционного выделения водорода из смесей его с углеводородами нет нужды дросселировать газ или дополнительно его компримировать.

Процессу адсорбции метана активированным углем благо­ приятствуют температуры порядка 20—25° С.

ЛИТЕРАТУРА

1.Chem. Eng. 63, N И , 382 (1956).

2. B e r g . Доклад на III Международном нефтяном конгрессе, Гаага, 1951.

3.Л. А. П о т о л о в с к и й , Г. С. С п е к т о р и Б . Б. К а м и н е р. Сборник трудов Всесоюзного совещания по комплексной химической перера­ ботке нефтяных газов. АН СССР, стр. 253, 1956.

4.F. U 11 m a n a. Encyklopadie der technischen Chemie, 3 Auflage, b. 1, 1951.