Способ очистки газовой смеси от водорода Советский патент 1985 года по МПК B01D53/22 

сд

;о

О5

о 65

1 1 Изобретение относится к глубокой очистке газовых смесей от водорода и может быть использовано в химической промыпшенности, например, для очистки сьфого гелия от водорода (10 об.%) в процессе получения его из природного газа. Известен способ очистки газовых смесей от водорода путем пропускания их над палладиевой мембраной Л . Недостатком такого способа является низкая степень извлечения водорода из газовых смесей, что обусловлено низким перепадом парциальных давлений водорода между разделяемой смесью и продиффундировавшим водородом на выходе смеси из аппарата. Наиболее близким к изобретению по технической сущности и достигаемому результату является способ очистки газовой смеси от водорода пу тем пропускания ее над палладиевой мембраной при одновременном разбавлении потока продиффундировавшегося через мембрану водорода другим газом например азотом или водяным паром. Такое проведение процесса позволяет уменьшить парциальное давление проди фундировавшего через мембрану водор да, увеличить перепад парциальных давлений через мембрану, вследствие чего степень очистки смеси от водоро да повьшается {jzl. Недостатком известного способа я ляется низкая степень очистки газовой смеси от водорода. При необходимости добиться глубокой степени очистки смесей от водорода необходимо значительное увеличение поверхности мембраны. Цепь изобретения - повышение степени очистки газовой смеси от водорода. Поставленная цель достигается тем, что при Способе очистки газовой смеси от водорода путем пропускания ее над палладиевой мембраной при одновременной подлче под мембрану газа-разбавителя, в качестве последнего используют кислородсодержащий газ. При этом концентрация кислорода в газе-разбавителе составляет 2575 об.% от исходной концентрации водорода в разделяемой смеси при отношении расхода газа-разбавителя к расходу разделяемой смеси, равном 2-4. 6 Предлагаемый способ позволяет повысить степень очистки газовой смеси от водорода при сохранении поверхности мембраны и размеров аппарата или уменьшить поверхность и размер диффузионного аппарата при заданной степени очистки. Это обусловлено тем, что вводимый кислород окисляет водород на поверхности мембраны. При этом увеличение водородопроницаемости (удельной производительности) мембраны при подаче под мембрану кислорода вместе с газомразбавителем многократно превьшает эффект, связанный с уменьшением парциального давления водорода под мембраной за счет его окисления. Исследования показывают, что в ряде случаев, например, при низких давлениях для тонких мембран из палладиевых сплавов лимитирующей стадией проницаемости являются процессы, происходящие на поверхностях мембраны. Поскольку скорость окисления водорода на палладии значительно выше скорости рекомбинации его атомов в молекулы, то окисление продиффундировавшего водорода существенно увеличивает скорость одной из лимитирующих стадий процесса, увеличивая таким образом проницаемость. Минимальная концентрация кислорода в газе-разбавителе, из условий связывания всего продиффундировавшего водорода, должна составлять 25 об. от концентрации водорода в разделяемой смеси. Более низкая концентрация кислорода в газе-разбавителе приводит к снижению степени очистки смеси от водорода на 10-40 отн.% ввиду неполного его окисления под мембраной при больших исходных концентрациях водорода в разделяемой смеси. Увеличение концентрации кислорода в .fазе-разбавителе свыше 75 об.% может, привести к окислению мембраны и снижению ее проницаемости на 10-70 отн,% При высоких концентрациях водорода в разделяемой смеси. Расход газа-разбавителя должен обеспечить взрывобезопасную среду под мембраной и препятствовать существенному разогреву мембраны вследствие окисления водорода. Из условий взрывобезопасности концентрация инертного газа-разбавителя под мем3

браной не должна быть ниже 95% на тот случай, если водород под мембраной не окислится.

Таким образом, расход газа-разбавителя должен не менее чем в 2-4 раза превышать расход разделяемой смеси. При расходах газа-разбавителя меньше предлагаемых не обеспечивается условие взрьшобезопасности процесса и не предотвращается разогрев мембраны, а увеличение расхода вьше предлагаемого предела не дает дополнительного положительного эффекта.

Пример 1. Водород вьщеляют ид газовой смеси, содержащей 88 об.% Nj и 12 об.% Hj. Смесь в количестве 70 л/ч подают в диффузионный, аппарат, содержащий трубчатую мембрану с поверхностью 1,25 10 м. Линейная скорость протока смеси над мембраной , равная 6,3 м/с, обеспечивает достаточную скорость массообVieHa иеаду поверхностью мембраны и ядром разделяемого потока. Давление разделяемой смеси над мембраной 9,2 кг/см, температура 400 и 500С Эксперименты ведут в двух режимах: в первом под мембрану подают азот Iвысокой чистоты при атмосферном :давлении и расходе, равном 140 л/ч, ;во втором режиме под мембрану подают смесь азота с 3 об.% кислорода (25% от исходной концентрации водорода в разделяемой смеси) при том же давлении и расходе в два раза большем расхода водородсодержащей смеси.

1азделяемая смесь покидает диффузионный аппарат с концентрацией

596064

водорода в первом случае 10,1 об.% при 400°С и 8,9% при , во втором режиме концентрация водорода в непродиффундировавших газах 7,-2 об.% S при 400°С и 6 об.% при 500°С.

Предложенный способ обеспечивает увеличение ст.епени извлечения водорода из смеси.

Пример 2. Водород выделяют О из смеси, содержащей 7 об.% Hj и

93 об.% Nj, подаваемой в диффузионный аппарат при атмосферном давлении.

Поверхность диффузионного аппарата составляет , расход разделяемой смеси 20 л/ч, скорость ее протока более 10 м/с. Опыты проводят при 5бОС в двух режимах; в первом под мембрану подают азот высокой частоты при атмосферном давлении в количестве 80 л/ч. Концентрация водорода

0 в непродиффундировавшей смеси 0,018об.%, во втором режиме под мембрану подают смесь 90% азота и 10 об.% кислорода (75% от исходной

5 концентрации водорода в разделяемой смеси), расход зтой смеси составляет 80 л/ч (в четыре раз больше расхода водородсодержащей смеси), концентрация водорода в непродиффундировавшей смеси составляет 0,0095%.

0

Предложенный способ обеспечивает увеличение глубины очистки смесей от водорода.

При внедрении предложенный способ обеспечит технико-зкономический эффект за счет снижения затрат металла в 10 раз и энергии в 2 раза.

1. СПОСОБ ОЧИСТКИ ГАЗОВОЙ СМЕСИ ОТ ВОДОРОДА путем -пропускания ее над палладиевой мембраной при одновременной подаче под мембрану газа-разбавителя, отличающийс я тем, что, с целью повьпиения степени очистки в качестве газа-разбавителя используют кислородсодержащий газ. 2. Способ по п. 1, о т л и ч аю щ и и с я тем, что используют газ с содержанием кислорода 25-75 об.% от исходной концентрации водорода в газовой смеси при отношении расхода газа-разбавителя к расходу газовой смеси, равном 2-4.