氫氣分離的主要方法
氫氣分離的主要方法
在氫氣的分離純化過程中，氫源中的雜質(zhì)組分和含量不盡相同，采用不同的分離方法得到的分離效率及效果也不同。
常見的分離法有:低溫分離法(也稱深冷法)、選擇吸附法、金屬氫化物凈化法和膜分離法。
1. 低溫分離法(也稱深冷法)
深冷法是利用在低溫條件下，原料氣組分的相對(duì)揮發(fā)度差(沸點(diǎn)差)，部分氣體冷凝，從而達(dá)到分離的目的。氫氣的標(biāo)準(zhǔn)沸點(diǎn)為 -252.77℃，而氮、氫、甲烷的沸點(diǎn) (-195. 62℃、-185. 71 ℃、-161. 3℃)與氫的沸點(diǎn)相差較遠(yuǎn)，因此采用冷凝的方法可將氫氣從這些混合氣體中分離出來;此外，氫氣的相對(duì)揮發(fā)度比烴類物質(zhì)高，因此深冷法也可實(shí)現(xiàn)氫氣與烴類物質(zhì)的分離。
深冷法的特點(diǎn)是適用于氫含量很低的原料氣，氫含量為20%以上;得到的氫氣純度高，可以達(dá)到95%以上，氫回收率高，達(dá)92%-97%;但由于分離過程中壓縮和冷卻能耗很高，其分離適用于大規(guī)模氣體分離過程。
深冷法可對(duì)氨廠馳放氣、煉油廠廢氣中的氫氣進(jìn)行純化分離。
低溫分離法的關(guān)鍵設(shè)備
1）冷箱
冷箱在低溫領(lǐng)域是十分關(guān)鍵的設(shè)備，如空分等低溫分離工藝都需要依靠冷箱來實(shí)現(xiàn)。冷箱的保冷性能對(duì)整套工藝的能耗水平、產(chǎn)品產(chǎn)量質(zhì)量都有很大的影響。對(duì)于一般深冷的工作狀況，珠光砂保冷就可達(dá)到使用要求。由于氫液化需要達(dá)到20K的低溫，采用珠光砂已不能滿足要求，行業(yè)經(jīng)驗(yàn)采用真空+多層纏繞絕熱方式進(jìn)行保冷箱
2）膨脹機(jī)
膨脹機(jī)是用來使氣體膨脹輸出外功以產(chǎn)生冷量的機(jī)器，其工作原理是將壓縮氣體的位能轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)械功。根據(jù)氣體膨脹輸出外功的不同分為容積式和透平式。透平膨脹機(jī)具有速度高、流量大、體積小、冷損小、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單調(diào)節(jié)性能好、工作可靠、能長(zhǎng)期連續(xù)平穩(wěn)運(yùn)轉(zhuǎn)的優(yōu)點(diǎn)。但膨脹比不能太大。
1.2 選擇吸附法
選擇吸附法是利用吸附劑只吸附特定氣體，從而實(shí)現(xiàn)氣體的分離。它包括:低溫吸附法、變壓吸附法和低溫吸收法。
(1)低溫吸附法 低溫吸附法是利用在低溫條件下(通常在液氮溫度 下)，由于吸附劑本身化學(xué)結(jié)構(gòu)的極性、化學(xué)鍵能等物理化學(xué)性質(zhì)，吸附劑對(duì)氫氣源中一些低沸點(diǎn)氣體雜質(zhì)組分的選擇性吸附，實(shí)現(xiàn)氫氣的分離。當(dāng)吸附劑吸附飽和后，經(jīng)升溫、降低壓力的脫附或解析操作，使吸附劑再生，如活性炭、分子篩吸附劑可實(shí)現(xiàn)氫氣與低沸點(diǎn)氮（愛空分圈編輯）、氧,氫氣等氣體的分離。該法對(duì)原料氣要求高，需精脫CO2,H2S,H20等雜質(zhì)，氫含量一般大于95%，因此 通常與其它分離法聯(lián)合使用，用于超高純氫的制備，得到的氫氣純度可達(dá)99.9999%，回收率90%以上。該法設(shè)備投資大，能耗較高，操作較復(fù)雜，適用于大規(guī)模生產(chǎn)。
(2)變壓吸附法(PSA) 變壓吸附法是利用在恒溫下，吸附劑的吸附容量隨其分壓的增大而增多，當(dāng)減壓或抽空時(shí)則解吸，吸附劑再生。選用難以吸附氫的吸附劑在常溫下吸附氫源中的雜質(zhì)，以實(shí)現(xiàn)氫與雜質(zhì)的分離。一般選用的吸附劑有:活性氧化鋁、硅膠、分子 篩、活性炭等。
該法對(duì)原料氣中雜質(zhì)的要求不苛刻，一般不需要進(jìn)行預(yù)處理;原料氣中氫含量一般為50%-90%，且當(dāng)氫含量比較低時(shí)， 變壓吸附法具有更突出的優(yōu)越性;同時(shí)，變壓吸附法可分離出高純度的氫氣，純度可達(dá)99%一99.99%。該法裝置和工藝簡(jiǎn)單、設(shè)備能耗低、投資較少，適合于中小各種規(guī)模生產(chǎn)，但氫的 回收率較低，只有600%-80%。目前，該法已用于水煤氣，半水煤氣，焦?fàn)t尾氣分離氫，得到的氫氣純度為99.9999%, 日本公司采用PSA法，從焦?fàn)t氣(CO氣態(tài))中分離出純度為 99.9999%的超高純氫等，研究了采用該法從重整 廢氣中回收氫氣，可得到的氫氣純度達(dá)99.999%，并且氫的回收率達(dá)75%-85 %。此外，該法也應(yīng)用于石油煉廠尾氣的氫回收。
(3)低溫吸收法 低溫吸收法是利用吸收過程中雜質(zhì)溶解于液體吸附劑，解吸過程，被溶解的氣體從溶液中釋放出來從而實(shí)現(xiàn)分離。常用的吸附溶劑有:丙烷、甲烷、丙烯和乙烯等。例如液體甲烷在低溫下吸附一氧化碳;氯化苯對(duì)CH4, Ar和N都存在吸附作用，是一種理想的氫回收溶劑。此方法要求原料氣中氫含量大于95%，可得到99.99%以上的高純氫，回收率高達(dá)95%，若要達(dá)到更高的氫純度要求，則要采用低溫吸附法以補(bǔ)足。此方法適合于工業(yè)化生產(chǎn)，但設(shè)備 投資大、能耗高、成本高、操作較復(fù)雜。
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