Спосіб розділення газових сумішей

1. Спосіб розділення газових сумішей з використанням адсорбентів, який відрізняється тим, що розділення здійснюють адсорбційнохроматографічним методом у три стадії з використанням на кожній стадії циліндричних роздільників з адсорбентами, на першій стадії відділяють вихідну газову суміш від діоксиду вуглецю і вуглеводневих газів шляхом пропускання вихідної суміші газів крізь циліндричний роздільник з адсорбентом з отриманням суміші метану, оксиду вуглецю, азо C2 2 83109 1 3 строю [заявка РФ №2003106134, B01D53/22, 2004]. Відомо інші мембранні способи розділення газової суміші [заявки РФ 2004139017/15, G01B13/02, 2006; 2003130957, B01D53/22, 2005]. Усі способи мембранного розділення суміші газів не дають можливості отримати окремі гази. Відомо спосіб розділення та зрідження газу в нафтогазовій промисловості. Спосіб включає підготовку газу, розділення його в мембранному або криогенному блоці та зрідження і розділення в блоці зрідження. В мембранному блоці природний газ очищують, подають крізь газороздільний пристрій у газороздільні резервуари, в яких концентрація метану збільшується до 99,9%. Метан надходить на вхід блока зрідження газу. Азот і вуглеводні розділяють у послідовно з'єднаних газороздільних резервуарах на окремі компоненти: етан, пропан і бутан, які подають до засобів зберігання. В криогенному блоці потік очищеного природного газу розділяють на два потоки. Газові потоки охолоджують, об'єднують. Подають розширений потік до ректифікаційної колони. Потік першої пари охолоджують до температури -112°С - -150°C до утворення парової та рідкої фаз шляхом пропускання крізь теплообмінники з використанням принципу протитоку з азотом, що циркулює у циклі охолодження. Охолоджений потік першої пари розділяють на парову та рідку фазу з утворенням потоку другої пари, що вміщує метан та азот у співвідношенні 1:(1,0-2,0), і потоку другої рідини з вмістом метану і азоту у співвідношенні 1:(4,0-2,0). Повертають потік другої рідини як флегми до ректифікаційної колони. Відводять з ректифікаційної колони першу рідину як потік продукту, який має температуру вище за -112°С, до засобу зберігання природного газу під тиском та до блоку зрідження. У блоці зрідження газ розділяють у метановідгінній, етановідгінній, бутановідгінній та пропановідгінній колонах. Газові потоки після зазначених колон вирівнюють за тиском і температурою та об'єднують. Частину об'єднаного потоку редукують і подають до боксу оператора [заявка РФ №2272228. F25J3/02, 2006]. Криогенний спосіб дозволяє розділити гази, проте ступінь розділення не повна і він досить енерговитратний. Найближчим до корисної моделі, що заявляється, є адсорбційний спосіб розділення газів з виділенням діоксиду вуглецю, згідно з яким потік газу пропускають крізь напівпроникний для газу матеріал, що є молекулярним ситом або активованим вугіллям типу АКТ. Від потоку відхідних газів, які проходять крізь цей напівпроникний для газу матеріал, відділяють потік газу з високим вмістом діоксиду вуглецю, і використовують щонайменше частину потоку газу з високим вмістом діоксиду вуглецю, як вихідний матеріал на промисловій установці та/або збирають і зберігають для наступного використання щонайменше частини потоку газу з високим вмістом діоксиду вуглецю. Для розділення відхідних газів і виділення з них діоксиду вуглецю як напівпроникний матеріал використовують матеріал, що здатний адсорбува 83109 4 ти переважно діоксид вуглецю та отримати з відхідного газу потік з високим вмістом діоксиду вуглецю, і в якому потік відхідного газу пропускають крізь напівпроникний для газу матеріал, що адсорбує щонайменше суттєву частину діоксиду вуглецю, яка міститься в потоці відхідного газу, з отриманням на виході потоку з низьким вмістом діоксиду вуглецю, який викидають в атмосферу. Отриманий потік з високим вмістом діоксиду вуглецю використовують на установці для одержання аміаку та сечовини або метанолу [заявка РФ №2003132538, B01D53/22, 2005]. Адсорбційний спосіб, який здійснюють пропусканням газової суміші крізь адсорбент, використовується переважно для очистки газів від домішок, що сильно сорбуються, і не дозволяє достатньою мірою розділити гази. В основу корисної моделі поставлено задачу створення способу адсорбційнохроматографічного розділення газових сумішей, що утворюються при термічній переробці палива і біомаси, який би дозволив повністю виділити із суміші окремі компоненти та максимально реалізувати сорбційну здатність адсорбенту. Поставлену задачу вирішують тим, що у способі розділення газових сумішей з використанням адсорбентів, згідно з корисною моделлю, розділення здійснюють адсорбційно-хроматографічним методом у три стадії, на першій стадії відділяють вихідну газову суміш від діоксиду вуглецю і вуглеводневих газів шляхом пропускання вихідної суміші газів крізь циліндричний роздільник з адсорбентом з отриманням суміші метану, оксиду вуглецю, азоту і водню, на другій стадії здійснюють хроматографічне розділення отриманої суміші газів після першої стадії при надлишковому тиску 1-120аті та температурі -50 - +120°C шляхом дозованого вводу суміші в потік газу-носію - водню, що циркулює крізь третій циліндричний роздільник з адсорбентом, з наступним відбором суміші окремих газів з воднем - азоту з воднем, оксиду вуглецю з воднем, метану з воднем, на третій стадії виділяють водень від інших компонентів отриманих газових сумішей шляхом комбінованого розділення, спочатку здійснюючи фронтальне розділення при роздільному пропусканні трьох газових сумішей крізь циліндричні роздільники з адсорбентом з отриманням послідовно чистого водню і сумішей водню з іншими газами, потім витискувальне розділення при наступному пропусканні крізь ті ж циліндричні роздільники з адсорбентом відповідних чистих газів, які відділяють адсорбовані компоненти від їх суміші з воднем - відповідно азоту, оксиду вуглецю та метану і останнім - виділення адсорбованих чистих газів при скиданні надлишкового тиску до атмосферного. Розділення газових сумішей здійснюють в циліндричних роздільниках з адсорбентами, співвідношення довжини і діаметру яких становить 101000. Здійснення розділення суміші газів при підвищеному тиску комбінованим методом, що поєднує елементи суто хроматографічного, фронтального і витискувального розділення дозволяє повністю (на 100%) розділити гази (азот, оксид вуглецю і метан) 5 з близькою адсорбційною здатністю на стадії хроматографічного розділення з використанням в якості газу-носія одного з компонентів суміші - водню, який характеризується найменшою здатністю до адсорбції в нормальних умовах і при підвищеному тиску. Поєднання фронтального і витискувального розділення на третій стадії передбачає послідовне розділення компонентів газової суміші вздовж фронту адсорбенту в залежності від їх адсорбційної здатності з отриманням на виході найменш адсорбованого компоненту - водню в чистому стані і суміші водню з іншими газами при фронтальному розділенні і послідовне витиснення адсорбованих (в порядку підвищення їх адсорбційної здатності) і неадсорбованих (в міжчастковому просторі гранульованого адсорбенту) суміші газів шляхом пропускання компоненту газової суміші з максимальною адсорбційною здатністю метану (або азоту чи оксиду вуглецю) при витискувальному розділенні. Розроблений комбінований підхід адсорбційно-хроматографічного методу розділення газових сумішей дає можливість максимально використати адсорбційну і роздільну здатність сорбентів, яка зростає з підвищенням тиску, і дозволяє повністю розділити суміш газів на окремі компоненти. Корисна модель пояснюється малюнком, на якому зображено схему розділення газової суміші після термічної переробки палива і біомаси комбінованим адсорбційно-хроматографічним способом. На схемі зображено резервуар 1 для вихідної газової суміші, вихід якої з'єднано з входами двох циліндричних роздільників 2, 3 з адсорбентами. Виходи циліндричних роздільників 2, 3 з'єднано з входом третього циліндричного роздільника 4 з адсорбентом, вихід якого з'єднано з його входом, циліндричним роздільником 5 з адсорбентом, циліндричним роздільником 6 з адсорбентом, циліндричним роздільником 7 з адсорбентом та резервуаром 8 для накопичення водню. Вихід циліндричного роздільника 5 з адсорбентом з'єднано з його входом, з резервуаром 8 для накопичення водню і резервуаром 9 для накопичення азоту, вихід якого з'єднано з входом циліндричного роздільника 5 з адсорбентом. Вихід циліндричного роздільника 6 з адсорбентом з'єднано з його входом, з резервуаром 8 для накопичення водню, резервуаром 10 для накопичення оксиду вуглецю, з'єднаним з входом циліндричного роздільника 6. Вихід циліндричного роздільника 7 з'єднано з його входом, з резервуаром 8 для накопичення водню і резервуаром 11 для накопичення метану, вхід якого з'єднано з входом циліндричного роздільника 7 з адсорбентом. Спосіб здійснюють наступним чином. 83109 6 В способі використовують циліндричні роздільники з адсорбентами, співвідношення довжини і діаметра яких становить 10-1000. Розділення здійснюють при надлишковому тиску 1-120 аті та температурі -50 - +120°C у три стадії. На першій стадії вихідну газову суміш з резервуару 1 пропускають крізь циліндричний роздільник 2 з адсорбентом і відділяють від діоксиду вуглецю і вуглеводневих газів, використовуючи циліндричний роздільник 3 з адсорбентом в режимі регенерації, тобто видалення з пор адсорбенту адсорбованих компонентів (діоксиду вуглецю і вуглеводневих газів) при підвищеній температурі. Після першої стадії суміш метану, оксиду вуглецю, азоту і водню спрямовують у циліндричний роздільник 4. На другій стадії здійснюють хроматографічне розділення при надлишковому тиску 1-120аті та температурі -50 - +120°C шляхом дозованого вводу отриманої після першої стадії суміші водню, азоту, оксиду вуглецю і метану в потік водню, що циркулює через циліндричний роздільник 4 з адсорбентом з наступним відбором суміші окремих газів з воднем - азоту з воднем у циліндричний роздільник 5 з адсорбентом, оксиду вуглецю з воднем у циліндричний роздільник 6 з адсорбентом, метану з воднем у циліндричний роздільник 7 з адсорбентом. На третій стадії виділяють водень та інші компоненти з отриманих газових сумішей шляхом комбінованого розділення. Для цього спочатку здійснюють фронтальне розділення при пропусканні газових сумішей крізь циліндричні роздільники 5, 6, 7 з адсорбентами з отриманням чистого водню. Потім здійснюють витискувальне розділення при наступному пропусканні крізь циліндричні роздільники 5, 6, 7 з адсорбентами чистих газів відповідно азоту, оксиду вуглецю та метану (до появи їх у чистому стані на виході) для відділення адсорбованих компонентів від їх суміші з воднем. Після цього здійснюють виділення адсорбованих чистих газів при скиданні надлишкового тиску до атмосферного: в резервуар 8 виділяють водень, в резервуар 9 - азот, в резервуар 10 - оксид вуглецю, в резервуар 11 - метан. Суміш водню з азотом, яка виходить з роздільника 5 при початковому (до появи на виході чистого азоту) витисненні азотом з резервуару 9, повертається на вхід роздільника 5. Суміш водню з оксидом вуглецю, яка виходить із роздільника 6 при початковому (до появи на виході чистого оксиду вуглецю) витисненні оксидом вуглецю із резервуару 10, повертається на вхід роздільника 6. Суміш водню з метаном, яка виходить з роздільника 7 при початковому (до появи на виході чистого метану) витисненні метаном із резервуару 11, повертається на вхід роздільника 7. 7 Комп’ютерна верстка О. Рябко 83109 8 Підписне Тираж 26 прим. Міністерство освіти і науки України Державний департамент інтелектуальної власності, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601