Физические методы разделения газов

Основными физическими методами разделения газовых смесей являются компрессионный, абсорбционный, адсорбционный, ректи­фикационный и конденсационный (основной при разделении газов пиролиза).

Компрессионный метод. Основан на сжатии газа компрессорами и охлаждении его в холодильнике. При сжатии газы частично ожижаются, образуя нестабильный газовый бензин. С повышением давления и понижением температуры выход жидкой фазы возра­стает, причем сконденсировавшиеся углеводороды облегчают пере­ход более легких компонентов в жидкое состояние, растворяя их. Для большинства попутных нефтяных газов оптимальное давление при компрессии составляет 2—4 МПа (20—40 кгс/см²). Газ сжи­мают в две или три ступени. После охлаждения в холодильнике сжатый газ поступает в газосепаратор, откуда конденсат направ­ляется в емкость нестабильного газового бензина, а газ — на сле­дующую ступень сжатия. Конденсат от всех ступеней сжатия под­вергают стабилизации для получения стабильного газового бензина и сжиженных газов, а газ после последней ступени сжатия идет в систему сухого газа или на фракционирование для получения тех­нических индивидуальных углеводородов.

Компрессионный метод применяют для отбензинивания жирных газов, содержащих более 150 г/м³ тяжелых углеводородов. Одним из недостатков этого метода является нечеткое отделение легких углеводородов от тяжелых в сепараторах, что приводит к попада­нию части легких углеводородов в газовый бензин и потере части тяжелых углеводородов с газовой фазой. Для углубления отбора пропановой фракции компрессионный метод применяют в комбина­ции с другими, более эффективными.

Абсорбционный метод. Абсорбцией называется процесс погло­щения газов или паров из газовых или парогазовых смесей жид­кими поглотителями (абсорбентами). При абсорбции, происходя­щей в рассматриваемом методе, поглощаемый газ не взаимодействует химически с абсорбентом. Абсорбция в большин­стве случаев обратима, на этом основано выделение поглощенного газа из жидкости — десорбция. Сочетание абсорбции с десорбцией позволяет многократно применять поглотитель и выделять из него поглощенный компонент в чистом виде. Абсорбционный метод раз­деления газов основан на избирательном поглощении жидкостью (бензином, керосином, дизельной фракцией) отдельных компонен­тов газовой смеси. Чем выше молекулярная масса углеводородов, содержащихся в исходном газе, тем больше их растворяется в аб­сорбенте. Количество растворенных углеводородов возрастает так­же с повышением давления и понижением температуры (при аб­сорбции выделяется тепло в количестве, равном примерно теплоте конденсации растворенного углеводорода).

Адсорбционный метод. Адсорбция - это процесс поглощения одного или не­скольких компонентов из газовой смеси или раствора твердым веществом — ад­сорбентом. Про­цесс адсорбции обычно обратим. На этом свойстве основано выделение из ад­сорбента поглощенных им веществ — де­сорбция. Сущность метода заключается в способности пористых твердых тел (акти­вированного угля, силикагеля, молеку­лярных сит) адсорбировать на своей по­верхности различные углеводороды. Ко­личество адсорбированных углеводоро­дов зависит от природы адсорбента, со­става газа и режима адсорбции. Так, в пределах одного и того же класса углеводородов их количество, адсорбируемое активирован­ным углем, возрастает с повышением их молекулярной массы. По­вышение температуры и понижение давления отрицательно влия­ют на показатели адсорбции. Обычно ее проводят при температу­ре окружающего воздуха и давлении 0,2—0,5 МПа (2—5 кгс/см²).

Регенерируют адсорбенты продувкой газом или водяным паром при повышенных температурах и атмосферном давлении. При средней продолжительности адсорбционного цикла 24—25 мин полную замену адсорбента производят после 1—2 лет его работы,

Процесс адсорбции отличается от процесса абсорбции тем, что вещества извлекаются твердым, а не жидким поглотителем. Ад­сорбцию обычно применяют при небольших концентрациях по­глощаемого вещества в исходной смеси, когда требуется достичь практически полного его извлечения. В тех случаях, когда концент­рация поглощаемого вещества в исходной смеси относительно вели­ка, обычно выгоднее использовать абсорбцию. Адсорбционный ме­тод разделения газов применяют для выделения газового бензина из тощих газов, содержащих до 50 г/м³ тяжелых углеводородов.

Различают периодические и непрерывные процессы выделения газового бензина при помощи адсорбента. Чаще других применяют периодический процесс как наиболее простой. Он состоит из четы­рех этапов: адсорбции углеводородов на адсорбенте, десорбции, т. е. удаления адсорбированных углеводородов с поверхности и внутренних пор адсорбента при помощи острого водяного пара, сушки адсорбента горячим газом, охлаждения адсорбента холод­ным газом. Установка с применением активированного угля позво­ляет извлечь из газа 50% пропана, 70—85% бутана и почти 100% пентана.

Непрерываую адсорбцию с движущимся слоем адсорбента, на­пример гиперсорбцию (с применением активированного угля), при­меняют для разделения очень тощих газов или выделения малых количеств компонентов. Этот метод эффективен для извлечения этана из тощих газов и при разделении природного газа на фрак­ции. Но он менее экономичен, чем абсорбционный. Недостатком ме­тода адсорбции является необходимость предварительно удалять из газовой смеси тяжелые углеводороды, так как при десорбции они плохо извлекаются из адсорбента.

Метод ректификации. Он является основным методом разделе­ния газов. Фракционировать газовые смеси непосредственно из га­зовой фазы затруднительно. Чаще всего их разделяют на две широ­кие фракции: низкомолекулярных углеводородов в газообразном виде и высокомолекулярных в жидком виде. Выделение из газа жидкой фазы достигается понижением температуры и повышением давления. Охлаждение газовой смеси до низких температур позво­ляет несколько снизить давление, необходимое для сжижения угле­водородов. Для охлаждения газов применяют различные холодиль­ные системы: аммиачные (до—50°С), этано-аммиачные (до —82° С) и с дроссельным охлаждением, при котором возможны еще более низкие температуры (эффект дросселирования основан на способности сжатых газов сильно охлаждаться при быстром понижении давления).

Выбор схемы, температуры и давления определяется составом исходной газовой смеси, назначением продуктов разделения, за­данным числом фракций и требуемой чистотой индивидуальных углеводородов. В заводской практике обычно ограничиваются выде­лением фракций по числу атомов углерода. Искусственные газы при этом фракционируют на метан, этан-этиленовую, пропан-пропиленовую, бутан-бутиленовую и пентан-амиленовую фракции. Иног­да, особенно при получении сырья для нефтехимии, газы разделяют на' фракции не только по числу атомов углерода, но и на индиви­дуальные компоненты. Например, этан-этиленовую фракцию можно хорошо разделить на этановую и этиленовую ректификацией под давлением, так как разница между их температурами кипения до­стигает 15° С. Наиболее трудно разделить бутиленовую фракцию: температура кипения изобутана при нормальном давлении 11,7° С, изобутилена — 6,9, бутена-1 — 6,26, бутадиена — 4,4 и н-бутана -0,5°С.

Вещества, имеющие близкие температуры кипения и не разде­ляющиеся обычным фракционированием, выделяют методом азеотропной ректификации. В этом случае к разделяемым углеводоро­дам добавляют компонент, который с одним из углеводородов об­разует азеотропную смесь с постоянной температурой кипения, ко­торая значительно отличается от температуры кипения исходных веществ. Это дает возможность осуществить их ректификацию. Ректификацией сначала отделяют один из компонентов, не образу­ющих азеотропной смеси, а затем азеотропную смесь.

Конденсационный метод. Он основан на использовании различ­ной способности углеводородов к конденсации. Полная конденса­ция углеводородной части газовой смеси (в первую очередь конден­сируются высококипящие углеводороды) используется для извле­чения азотно-гелиевого концентрата. Конденсационный метод в сочетании с ректификационным широко используют для разделения углеводородных газов, полученных при пиролизе углеводородного сырья.