Separacja gazów

Separacja gazów jest jedną z podstawowych technik pozyskiwania czystych gazów niezbędnych do realizacji wielu procesów przemysłowych. Gazy czyste stosowane są praktycznie we wszystkich obszarach związanych z produkcją, ochroną środowiska oraz pracami badawczo-rozwojowymi. Najczęściej stosowane to: powietrze syntetyczne, azot, wodór, hel, tlen, metan, dwutlenek węgla, chlor. Ze względu na duże zapotrzebowanie na czyste gazy poszukuje się nowych rozwiązań mających na celu obniżenie kosztów pozyskiwania gazów.  Coraz częściej wykorzystywaną, bardzo obiecującą metodą jest rozdział składników mieszaniny gazowej na błonie półprzepuszczalnej. Techniki membranowe są już wykorzystywane do rozdziału składników gazowych, np. firma ChemTech oferuje wśród swoich produktów generator azotu. Jest to urządzenie do wytwarzania azotu ze sprężonego powietrza atmosferycznego, atmosfer ochronnych MAP, MAPAX. Dzięki zastosowaniu wysokowydajnych membran czystość azotu może sięgać 99.99%.Niektóre gazy można bezpośrednio uzyskać z powietrza atmosferycznego. Skład powietrza atmosferycznego przedstawia się następująco:

Składnik Udział objętościowy (%) Udział masowy (%)
Azot 78,03 75,6
Tlen 20,93 23,1
Argon 0,93 1,286
Dwutlenek Węgla 0,03 0,046
Wodór 5*10-5 3,6*10-6
Neon 1,5*10-2 1,2*10-3
Hel 5*10-1 7*10-5
Krypton 1*10-43*10-4
Ksenon 0,9*10-5 4*10-5

Sposób wykonania pracy zewnętrznej koniecznej do rozdziału składników mieszaniny gazowej można przedstawić na przykładzie rozdziału dwóch składników na membranie. Mieszanina gazowa składników „i” j „j” umieszczona jest w cylindrze zamkniętym z dwóch stron tłokami, które stanowią błony półprzepuszczalne. Jedna z membran przepuszczalna jest tylko dla składnika „i” natomiast druga przepuszczalna jest tylko dla składnika „j”. W wyniku przyłożenia pracy zewnętrznej tłoki zaczynają się do siebie zbliżać. Temperatura gazu pomiędzy i na zewnątrz tłoków pozostaje w równowadze z otoczeniem a ciśnienia po obu stronach tłoków są zrównoważone. Gaz „i” gromadzi po lewej stronie tłoka lewego, natomiast gaz „j” po prawej stronie tłoka prawego. Całkowite rozdzielenia gazów następuje w momencie, gdy tłoki zetkną się ze sobą. W izotermicznym procesie sprężania gazy zostały sprężone od swoich ciśnień parcjalnych do ciśnienia całkowitego. Praca konieczna do ich rozdzielenia jest najmniejszą z możliwych, którą należy wykonać w celu rozdzielenia gazów i stanowi punkt odniesienia rzeczywistych instalacji rozdziału mieszanin gazowych.

Rozdzielenie mieszaniny gazowej na membranie

W tablicy 2 podano minimalne prace konieczne do oddzielenia wybranych składników z powietrza atmosferycznego.

Gaz Udział molowy (%) Praca na mol mieszaniny (kJ/kg mol) Praca na jednostkę masy (kJ/kg)
Azot 78,08 1311,6 60,0
Tlen 20,95 1280,2 191,0
Argon 0,934 132,1 353,9
Wodór 3,12*10-2 7,06 7485
Hel 1,0*10-2 0,00427 14,22

Tablica 2  Minimalne prace konieczne do wydzielenia z powietrza wybranych składników

Metody permeacyjne (membranowe)

Metody membranowe wykorzystują różnicę przenikalności składników mieszaniny gazowej przez membranę. Ze względu na różne masy cząsteczkowe lub atomowe składniki dyfundują z różnymi szybkościami.  Mieszaninę gazową przepuszcza się wzdłuż powierzchni membrany, której pory są dostatecznie małe, aby następował przepływ molekularny tylko cząsteczek lżejszych. Część mieszaniny, która przechodzi przez membranę jest wzbogacona w składnik lżejszy, natomiast pozostała część w składnik cięższy.

Transport gazu przez polimerową membranę można opisać równaniem:

gdzie: j– strumień molowy (objętościowy) składnika i-tego, [cm3/cm2*s] (w warunkach normalnych),  l – grubość membrany, pi0 – ciśnienie cząstkowe składnika i-tego po stronie zasilania, pil – ciśnienie cząstkowe składnika i-tego w permeacie, D– współczynnik dyfuzji (określający zdolność danego składnika do penetracji membrany), K– współczynnik sorpcji gazu, [jednostka ciśnienia*cm3 składnika i /cm3 polimeru]. Często iloczyn Di*Ki określa się jako Pi nazywany przenikalnością składnika przez membranę, który określa  miarę zdolności membrany do permeacji gazów. Parametrem najlepiej opisującym zdolność membrany do separacji dwóch gazów (i, j) jest stosunek przenikalności składników nazywany selektywnością membrany:                                                         

Dla membran wykonanych z różnych materiałów wartości selektywności mogą zależeć od różnych czynników i wykazywać różne własności w zależności od rozmiaru cząstek permeatu. W przypadku membran wykonanych z polimerów szklistych większe znaczenie w równaniu (2) ma człon dyfuzyjny. Selektywność membrany maleje ze wzrostem rozmiaru cząstek permeatu. Dla membran wykonanych z polimerów kauczukowych w równaniu (2) dominujące znaczenie ma człon związany ze zdolnością sorpcyjną cząsteczek. Selektywność membrany rośnie wraz ze wzrostem rozmiaru cząstek permeatu. Membrany kauczukowe wykazują lepsze zdolności selektywne względem rozdzielanych składników gazowych niż membrany wykonane z polimerów szklanych. Większe zdolności selektywne membrany pozwalają na zmniejszenie powierzchni wymaganej do rozdziału danej objętości mieszaniny. Przyczynia się to do zmniejszenia liczby modułów membranowych koniecznych do zainstalowania w układzie separacji gazów i obniżenia ogólnych kosztów inwestycyjnych. Generatory azotu firmy ChemTech  Metoda chemiczna

Jedną z kolejnych metod realizacji procesu rozdziału mieszanin gazowych jest metoda chemiczna, polegająca na usunięciu określonego składnika lub grupy składników z mieszaniny przez selektywną reakcję chemiczną. W reakcji chemicznej bierze udział tylko określony składnik mieszaniny gazowej. Niestety metoda ta nie pozwala na rozdział składników obojętnych chemicznie oraz nie może być używana do oddzielenia z mieszaniny gazu o największej reaktywności. Rozdzielone składniki zazwyczaj ulegają nieodwracalnej destrukcji i nie nadają się do dalszego wykorzystania.

Kriotechnika

Kriotechnika jest procesem, który można wykorzystać do rozdziału mieszanin gazowych. Proces separacji gazów w tym przypadku polega na ich skropleniu wybraną metodą a 

następnie poddaniu skroplonej mieszaniny procesowi rektyfikacji. W ten sposób uzyskuje się przede wszystkim czysty tlen, azot, argon, hel i ksenon. Proces kriogeniczny znajdują również zastosowanie przy uzyskiwaniu czystego wodoru z gazu koksowniczego czy wydzielaniu deuteru z wodoru. W przypadku instalacji o dużych wydajnościach, przekraczających około 200 ton produktów gazowych na dobę, stosuje się niemal wyłącznie metody kriogeniczne.

Metody absorpcyjno – desorpcyjne

Metody absorpcyjno – desorpcyjne wykorzystujące zjawisko absorpcji gazów w głębi fazy ciekłej. Metody te wykorzystują jako siłę napędową procesu rozdziału różnicę rozpuszczalności gazów w cieczy. Mieszaninę gazową przepuszcza się przez określony rozpuszczalnik. W trakcie prowadzenia procesu niektóre ze składników  (w zależności od wyboru rozpuszczalnika) są absorbowane i skład mieszaniny gazowej opuszczającej ciecz jest inny niż skład mieszaniny wejściowej. Na skutek nasycenia się rozpuszczalnika gazami ciśnienie w układzie ulega obniżeniu i następuje desorpcja wzbogaconej lub zubożonej w określony składnik mieszaniny. Ograniczenie stosowania metody do rozdziału mieszanin gazowych wynikają z niskiej rozpuszczalności wielu gazów. Dodatkowo ze względu na wysokie ceny rozpuszczalników praktycznie stosuje się tylko wodę co znacznie zawęża zakres stosowania metody na skalę przemysłową.

Absorbery wykorzystywane do procesu rozdziału mieszanin gazowych:

  • powierzchniowe,
  • błonkowe,
  • barbotażowe,
  • Venturiego,
  • natryskowe bez wypełnień, tzw. skrubery,
  • kolumny z wypełnieniem ruchomym lub nieruchomym.

Wykorzystywanie metod absorpcyjnych do innych celów niż rozdział mieszanin gazowych:

  • odsiarczanie spalin ,
  • usuwanie tlenków azotu ze spalin oraz przemysłowych gazów odlotowych,
  • absorpcja gazów przemysłowych (np. HF, HCl, Cl2, NH3),
  • dezodoryzacja gazów odlotowych (absorpcyjna fizykochemiczna oraz metoda absorpcyjna połączona z biodegradacją).

Metody adsorpcyjne

Metody adsorpcyjne, w których do rozdziału składników wykorzystuje się różnicę w adsorpcji składników na adsorbencie, który może stanowić węgiel aktywny, silikażel lub sita molekularne. Ponieważ adsorbenty charakteryzują się stosunkowo niedużą zdolnością sorpcyjną i są drogie w eksploatacji stosuje się zwykle do celów specjalnych, np.  głębokiego osuszania powietrza i pary wodnej. Rozdzielenie składników mieszaniny gazowej na frakcje według ich ciężarów cząsteczkowych lub atomowych przez poddanie mieszaniny gazowej działaniu siły odśrodkowej. W wyniku ruchu obrotowego cząsteczki o ciężarze wyższym ulegały odrzucenie na dalszą odległość niż cząsteczki lżejsze. Nie był to jednak proces łatwy do realizacji ze względu na ruch dyfuzyjny cząstek i dlatego nie wykorzystuje się go obecnie w przemyśle.


Instalacja otrzymywania azotu na złożu węgla aktywnego firmy Air Care EquipmentsInne zastosowania metod adsorpcyjnych:

  • ochrona dróg oddechowych
  • klimatyzacja powietrza,
  • odzyskiwanie składników,
  • oczyszczanie gazów odlotowych.

Rozdzielenie składników ze względu na ciężar cząsteczkowy

Rozdzielenie składników mieszaniny gazowej na frakcje według ich ciężarów cząsteczkowych lub atomowych przez poddanie mieszaniny gazowej działaniu siły odśrodkowej. W wyniku ruchu obrotowego cząsteczki o ciężarze wyższym ulegały odrzucenie na dalszą odległość niż cząsteczki lżejsze. Nie był to jednak proces łatwy do realizacji ze względu na ruch dyfuzyjny cząstek i dlatego nie wykorzystuje się go obecnie w przemyśle.  Rozdzielenie składników ze względu na zachowanie w polu elektrycznym lub magnetycznym

Rozdzielanie cząsteczek gazowych wykorzystując różnice w reagowaniu atomów i cząsteczek na działanie pola elektrycznego lub magnetycznego. Udało się zrealizować metodę w procesie wydzielenia izotopów o określonym spinie jądrowym, przepuszczając przez pole elektryczne i magnetyczne strumień atomów pierwiastka. Metoda okazała się jednak zbyt kosztowne aby było możliwe wykorzystanie jej w skali technicznej.

Konkretne rozwiązania do twojego problemu

ChemTech jest wysoce specjalistyczną firmą zajmującą się technikami separacji, filtracji procesowej cieczy i gazów oraz oczyszczania i rozdziału faz.

Poszukujemy eksporterów

ChemTech jest wysoce specjalistyczną firmą zajmującą...

Szukasz pracy?

Pracując dla firmy FilterTech stajesz się częścią...

04dystrybucja

Jesteśmy dystrybutorem
najlepszych firm

Ami2
GE WATER
FSI
amiad

Zapraszamy do kontaktu