《制氢技术》教案19工业副产气体提纯制氢方法

一、教案头编号：19授课班级22氢能技术1班授课日期2024年5月29日本次课标题：工业副产气体提纯制氢方法教学目标知识目标了解不同炼厂气的典型氢气体积含量；掌握3种氢提纯工艺的原理；理解3种氢提纯工艺的技术特点。能力目标能正确讲述3种氢提纯工艺的原理。教学重点3种氢提纯工艺的原理教学难点3种氢提纯工艺的原理参考资料《氢能与制氢技术》第二版吴素芳浙江大学出版社2021-7

二、教学设计(第19次课)步骤教学内容教学方法教学手段时间分配告知(教学内容、目的）告知目标：了解不同炼厂气的典型氢气体积含量；掌握3种氢提纯工艺的原理；理解3种氢提纯工艺的技术特点。讲授课件、板书5分钟引入（任务项目）许多工业生产过程中会产生含氢尾气,如炼油厂的炼厂气、合成氨弛放气,合成氨中的变换气,精炼气,炼焦过程产生的焦炉煤气,以石脑油为原料制取的城市煤气,氯碱工业的副产气,催化裂化干气、油田转化气,甲醇裂解气等。这些含氢尾气中的氢气浓度为15%～90%,部分炼厂气的典型氢气含量见表8.1。设问启发讨论课件10分钟操练（掌握初步或基本能力）目前,氢气分离和提纯方法主要有深冷分离法、变压吸附法(PSA),膜分离法。这三种工艺技术由于分离原理不同,因而其特性各不相同。在设计中选择合适的氢提纯方法,不仅要考虑装置的经济性,同时也要考虑很多其他因素的影响,如工艺的灵活性、可靠性、扩大装置能力的难易程度、原料气的含氢量以及氢气纯度、杂质含量对下游装置的影响等。早期使用得较多的氢气分离和提纯的工艺是深冷分离法。其原理是利用在低温条件下原料气中各组分的相对挥发度之差(沸点差),使部分气体冷凝,从而达到分离的目的。氢气的标准沸点为一252.75℃,而氮、氩、甲烷的沸点分别为-195.62℃、-185.71℃、一161.3℃,与氢的沸点相差较大。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怪类物质高,因此深冷法也可实现氢气与怪类物质的分离。深冷法的特点是适用于氢含量低于30%的原料气,得到的氢气纯度高,可以达到95%以上,而且氢回收率高,达92%～97%。深冷法可对合成氨厂驰放气,炼油厂废气中的氢气进行纯化分离。这种方法的缺点是投资大,操作和维护复杂,能量消耗高。一般适用于处理量较大、氢气要求不高的场合。讲授教师示范课件、板书、操作演示20分钟深化（加深对基本能力的体会）变压吸附工艺是近十几年来发展最快的一种气体分离技术。其原理是利用吸附剂对吸附质在不同分压下各组分有选择吸附的特性以及有不同的吸附容量来提纯氢气。杂质在高压下被吸附剂吸附,使得吸附容量极小的氢得以提纯,然后杂质在低压下脱附,使吸附剂获得再生。变压吸附工艺为循环操作,用多个吸附器来达到原料,产品和尾气流量的恒定。每个吸附器都要经过吸附、降压、脱附、升压、再吸附的工艺过程。一般选用的吸附剂有活性氧化铝、硅胶、分子筛、活性炭等。变压吸附最早在氢气的分离和提纯中应用,现在已用于十几种气体,甚至几十种气源的分离和提纯。[3]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,纯度最高可达99.9999%15],能满足各种工业过程对氢气纯度的要求。该法装置和工艺简单,设备能耗低,投资较少,适合于大、中、小各种生产规模,但缺点是氢的回收率较低,只有60%～80%。重点讲解教师示范课件、板书20分钟训练巩固拓展检验膜分离技术是近十几年来发展较快的一种较新的气体分离方法。膜分离法是利用膜对特定气体组分具有选择性渗透和扩散的特性来实现气体分离和纯化的目的。不同的组分有不同的渗透率。典型组分的相对渗透率从高到低的趋势如下:气体组分透过膜的推动力是膜两侧的压力差。根据各组分渗透率的差异,具有较高渗透率的气体,如氢气,富集在膜的渗透侧,而具有较低渗透性的气体则富集在未渗透侧,从而达到分离混合气体的目的。随着有较多的气体渗透过膜,较低渗透性的组分相对增多,因此要求的氢纯度较高时回收率就降低,相反,氢纯度较低时回收率就较高。按照膜的结构可将固体膜分为多孔膜和致密膜。其中,多孔膜是通过对粒径、形状、电荷的辨别实现控制分离的,而致密膜则依靠吸附和扩散实现分离。多孔膜的渗透机理主要为微孔扩散机理,即混合气体分子经过膜的微孔时呈诺森流(knudsenflow,分子流)穿过膜,当膜的微孔直径等于或小于气体分子平均自由程时,才能达到分离的目的。而致密膜的渗透机理为溶解一扩散机理,即气体分子在压力作用下,首先在膜的高压侧接触,然后吸附、溶解、扩散、脱溶、逸出,从而实现某种特定气体的分离。膜分离法的优点包括投资少,能耗较低,装置