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氢气分离的主要方法

日期:2020-12-14    来源:空分圈

国际新能源网

2020
12/14
13:34
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关键词: 氢气分离 氢气制造 氢气产品

氢气分离的主要方法

在氢气的分离纯化过程中,氢源中的杂质组分和含量不尽相同,采用不同的分离方法得到的分离效率及效果也不同。

常见的分离法有:低温分离法(也称深冷法)、选择吸附法、金属氢化物净化法和膜分离法。

1. 低温分离法(也称深冷法)

深冷法是利用在低温条件下,原料气组分的相对挥发度差(沸点差),部分气体冷凝,从而达到分离的目的。氢气的标准沸点为 -252.77℃,而氮、氢、甲烷的沸点 (-195. 62℃、-185. 71 ℃、-161. 3℃)与氢的沸点相差较远,因此采用冷凝的方法可将氢气从这些混合气体中分离出来;此外,氢气的相对挥发度比烃类物质高,因此深冷法也可实现氢气与烃类物质的分离。

深冷法的特点是适用于氢含量很低的原料气,氢含量为20%以上;得到的氢气纯度高,可以达到95%以上,氢回收率高,达92%-97%;但由于分离过程中压缩和冷却能耗很高,其分离适用于大规模气体分离过程。

深冷法可对氨厂驰放气、炼油厂废气中的氢气进行纯化分离。

低温分离法的关键设备

1)冷箱

冷箱在低温领域是十分关键的设备,如空分等低温分离工艺都需要依靠冷箱来实现。冷箱的保冷性能对整套工艺的能耗水平、产品产量质量都有很大的影响。对于一般深冷的工作状况,珠光砂保冷就可达到使用要求。由于氢液化需要达到20K的低温,采用珠光砂已不能满足要求,行业经验采用真空+多层缠绕绝热方式进行保冷箱

2)膨胀机

膨胀机是用来使气体膨胀输出外功以产生冷量的机器,其工作原理是将压缩气体的位能转变为机械功。根据气体膨胀输出外功的不同分为容积式和透平式。透平膨胀机具有速度高、流量大、体积小、冷损小、结构简单调节性能好、工作可靠、能长期连续平稳运转的优点。但膨胀比不能太大。

1.2 选择吸附法

选择吸附法是利用吸附剂只吸附特定气体,从而实现气体的分离。它包括:低温吸附法、变压吸附法和低温吸收法。

(1)低温吸附法 低温吸附法是利用在低温条件下(通常在液氮温度 下),由于吸附剂本身化学结构的极性、化学键能等物理化学性质,吸附剂对氢气源中一些低沸点气体杂质组分的选择性吸附,实现氢气的分离。当吸附剂吸附饱和后,经升温、降低压力的脱附或解析操作,使吸附剂再生,如活性炭、分子筛吸附剂可实现氢气与低沸点氮(爱空分圈编辑)、氧,氢气等气体的分离。该法对原料气要求高,需精脱CO2,H2S,H20等杂质,氢含量一般大于95%,因此 通常与其它分离法联合使用,用于超高纯氢的制备,得到的氢气纯度可达99.9999%,回收率90%以上。该法设备投资大,能耗较高,操作较复杂,适用于大规模生产。

(2)变压吸附法(PSA) 变压吸附法是利用在恒温下,吸附剂的吸附容量随其分压的增大而增多,当减压或抽空时则解吸,吸附剂再生。选用难以吸附氢的吸附剂在常温下吸附氢源中的杂质,以实现氢与杂质的分离。一般选用的吸附剂有:活性氧化铝、硅胶、分子 筛、活性炭等。

该法对原料气中杂质的要求不苛刻,一般不需要进行预处理;原料气中氢含量一般为50%-90%,且当氢含量比较低时, 变压吸附法具有更突出的优越性;同时,变压吸附法可分离出高纯度的氢气,纯度可达99%一99.99%。该法装置和工艺简单、设备能耗低、投资较少,适合于中小各种规模生产,但氢的 回收率较低,只有600%-80%。目前,该法已用于水煤气,半水煤气,焦炉尾气分离氢,得到的氢气纯度为99.9999%, 日本公司采用PSA法,从焦炉气(CO气态)中分离出纯度为 99.9999%的超高纯氢等,研究了采用该法从重整 废气中回收氢气,可得到的氢气纯度达99.999%,并且氢的回收率达75%-85 %。此外,该法也应用于石油炼厂尾气的氢回收。

(3)低温吸收法 低温吸收法是利用吸收过程中杂质溶解于液体吸附剂,解吸过程,被溶解的气体从溶液中释放出来从而实现分离。常用的吸附溶剂有:丙烷、甲烷、丙烯和乙烯等。例如液体甲烷在低温下吸附一氧化碳;氯化苯对CH4, Ar和N都存在吸附作用,是一种理想的氢回收溶剂。此方法要求原料气中氢含量大于95%,可得到99.99%以上的高纯氢,回收率高达95%,若要达到更高的氢纯度要求,则要采用低温吸附法以补足。此方法适合于工业化生产,但设备 投资大、能耗高、成本高、操作较复杂。


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