Сатураційний спосіб розділення газів

Реферат: UA 96356 U UA 96356 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Спосіб належить: до технологій розділення газів, часткове виділення азоту з повітря, збагачення повітря киснем, збагачення води киснем. Спосіб ґрунтується на відмінностях в насиченні рідин (вода) газами (повітря: азот, кисень) при зміні зовнішніх умов (тиск, температура). Відоме: На сьогоднішній день існує три принципово різних способи розділення газів: мембранний, кріогенний (ректифікація) та адсорбційний (газоадсорбційна хроматографія). 1). Мембранний спосіб. Принципом роботи є різниця в швидкості проникнення компонентів газу через речовину мембрани. Рушійною силою поділу газів є різниця парціальних тисків на різних сторонах мембрани. Проходячи всередині мембрани, легкопроникні компоненти газу (водень, вуглекислий газ, пари води, кисень) через пористу оболонку мембрани просочуються в міжмембранний простір і відводяться на скидання в атмосферу. Важкопроникні компоненти газу (азот, метан, окис вуглецю) проходять по всій довжині мембрани і далі надходять споживачеві. Необхідно: компресор, фільтри, запірно-регулююча арматура, газороздільний модуль (мембрана) та ємкості для збору розділених газів. Недоліком способу є дороговизна обладнання та недовговічність мембран. Підвищені експлуатаційні витрати. Обмежена продуктивність. Максимальна концентрація азоту 99,5 %. 2). Кріогенний спосіб. В основі роботи кріогенних установок розділення газів (повітря) лежить метод низькотемпературної ректифікації, що базується на різниці температур кипіння газових компонентів і відмінності складів рідких і парових сумішей, що перебувають в рівновазі У процесі поділу газів при кріогенних температурах між рідкою і паровою фазами, що перебувають в контакті, що складаються з газових компонентів, здійснюється масо- і теплообмін. У результаті парова фаза збагачується низькокиплячими компонентами, що мають більш низьку температуру кипіння, а рідка - висококиплячими компонентами. Таким чином, піднімаючись по ректифікаційній колоні вгору, пара збагачується низькокиплячим компонентом (азотом), а рідина, що стікає вниз, насичується висококиплячим компонентом (киснем). Необхідно: компресор, фільтри, запірно-регулююча арматура, кріогенна камера та ємкості для збору газів та рідин. Недоліком способу є надвисокі вартість обладнання та його експлуатація. Великі габарити обладнання. Тривалий пусковий період. 3). Адсорбційний спосіб. В основі цього способу розділення газових сумішей є явище зв'язування твердою речовиною, названою адсорбентом, окремих компонентів газової суміші. Це явище обумовлене силами взаємодії молекул газу і адсорбенту. Необхідно: компресор, ресивер, фільтри, запірно-регулююча арматура, адсорбційна камера (адсорбент) та ємкості для збору газів. Недоліком способу є дороговизна обладнання та необхідність періодичної заміни адсорбента. Пропонується новий спосіб розділення газів - сатураційний спосіб. В основу способу поставлена задача розділення окремих газів з суміші газів. Сатураційний спосіб (від лат. saturitas - насичення) розділення газів відбувається шляхом: введення у ємність під надлишковим тиском (сатуратор) рідини (води) з сумішшю газів (повітря), потім з часом відведення з ємності погано розчинних газів за допомогою бульбашковідокремлювача, тоді відведення рідини, насиченої добре розчинними газами, в ємність пониженого тиску, де виділяються добре розчинні гази з рідини; або введення у ємність з пониженою температурою (теплообмінник) рідини з сумішшю газів, потім з часом відведення з ємності погано розчинних газів за допомогою бульбашковідокремлювача, тоді відведення рідини, насиченої добре розчинними газами, в ємність підвищеної температури, де виділяються добре розчинні гази з рідини; який відрізняється тим, що в сатураційному способі робочим тілом для розділення суміші газів (повітря) є рідина (вода), яка насичується добре розчинними газами при зміні зовнішніх умов (тиск, температура), тоді як погано розчинні гази залишаються у вигляді газу (бульбашок). Відомо, що кількість газу, розчиненого в рідині, зростає при збільшенні тиску газу, що контактує з рідиною, або зменшенні температури. В процесі насичення частина молекул газу повертається до газової фази, та за деякий час рідина набуває стану насиченості (кількість розчиненого газу дорівнює кількості виділеного). При зворотному процесі (зменшені тиску, збільшені температури) відбувається виділення розчинених газів з рідини. Концентрація розчинених газів залежить від природи кожного газу. а) Варіант з постійною температурою та змінним тиском. Згідно з законом Генрі - маса (m) газу, розчиненого в рідині даного об'єму, при сталій температурі пропорційна парціальному тиску (p) цього газу над розчином. 1 UA 96356 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 m=KГ * р, де, KГ - константа Генрі, залежить від природи газу й температури. При постійній температурі у рідині може розчинитися певна концентрація газів, більшою мірою добре розчинні гази та меншою мірою погано розчинні гази. При підвищенні парціального тиску газів над рідиною, концентрація розчинених газів пропорційно збільшиться. Можливо підібрати такі тиск та концентрацію суміші газів, коли добре розчинні гази повністю розчиняться в рідині, тоді як погано розчинні гази лише частково, а нерозчинена частина буде у вигляді бульбашок (погано розчиненого газу). Далі бульбашки відокремлюють від насиченої рідини газами і отримують чистий продукт погано розчиненого газу (або суміші газів). Насичену рідину розчиненими газами направляють в зону пониженого тиску, де проходить виділення газів з рідини. Отримують суміш газів збагаченої добре розчиненими газами. Рідину знову насичують сумішшю газів. Приклад. При атмосферному тиску та 20 °C у воді з повітря (об'єм азоту - 78,08 %, кисню 20,95 %, аргону - 0,93 %, вуглекислого газу - 0,03 %, та інші гази - 0,01 %) в першу чергу 3 3 3 3 розчиняється вуглекислий газ (878 л/м ), аргон (33 л/м ), кисень (31 л/м ) та азот (15,5 л/м ). При насиченні (сатурації) води повітрям у напірному баку (сатураторі) пропорційно збільшиться концентрація розчинених газів. На початку їх відношення буде 878:33:31:15,5 або 56,6:2,1:2:1, але коли вуглекислий газ повністю розчиниться, відношення зміниться (