Газоподібне сировина буває природного і промислового походження. Природна сировина представлено вуглеводневими газу ми (природний газ) і повітрям. Як газоподібного сировини промислового походження використовуються гази коксохімічного виробництва (коксовий газ), гази нафтопереробки (попутний газ), гази металургійних виробництв, гази переробки твердого палива (генераторний газ).
Методи збагачення газоподібних багатокомпонентних систем (або очищення і розділення газових сумішей) засновані на відмінності властивостей компонентів суміші (наприклад, на відмінності температур кипіння, розчинності в будь-якому розчиннику, сорбційної здатності).
Наведемо приклади очищення і розділення газових сумішей, що мають місце в неорганічних виробництвах.
- поділяють повітря на азот і кисень; азот використовується у виробництві аміаку, а кисень - як окислювач в хімічній промисловості та в металургії. Крім того, з повітря виділяють аргон;
- з коксового газу виділяють аміак у вигляді сульфату амонію; водень, який використовується далі для отримання азотоводородной суміші; і сірководень, який використовується для отримання сірчаної кислоти.
- природний газ, який використовується у виробництві аміаку, очищають від сірковмісних сполук;
- конвертований газ виробництва аміаку очищають від діоксиду вуглецю;
- перед колоною синтезу аміаку азотоводородной суміш очищають від слідів кисень містять сполук (СО і СО2).
Існують наступні основні методи розділення газових сумішей: конденсація, сорбційні методи, мембранне розділення.
Суть методу конденсації полягає в тому, що при охолодженні газової суміші більш висококиплячі компоненти конденсуються першими і відокремлюються в сепараторах. У виробництві синтетичного аміаку методом конденсації відокремлюють аміак від прореагувала азотоводородной суміші. З коксового газу фракційним охолодженням виділяється водень.
Сорбційні методи засновані на різної сорбційної здатності компонентів будь-яким поглиначем. Процес, зворотний сорбції, називається десорбцією. Сорбція і десорбція - два взаємопов'язані процеси. Коли швидкість сорбції дорівнює швидкості десорбції, встановлюється динамічна рівновага. Сприятливими умовами для сорбції, тобто для поглинання газу, є низька температура і високий тиск. Сприятливими умовами для десорбції є підвищена температура і знижений тиск.
В сорбційних процесах виділяють: адсорбцію і абсорбцію.
Адсорбція - це процес поглинання одного або декількох компонентів газової суміші твердою поверхнею адсорбенту. Процес поглинання (очищення) здійснюють в апаратах, званих адсорберами. Адсорбер бувають: з нерухомим шаром адсорбенту, з рухомим шаром, а також з киплячим шаром. Адсорбер працює в режимі «адсорбція ↔ десорбція».
В ході очищення газу адсорбент спочатку насичується газоподібним компонентом-домішкою (його називають адсорбат), потім при відповідному зміну умов процесу слід десорбція, в результаті адсорбент відновлюється. Як адсорбенту використовують: активоване вугілля, цеоліти, пористі скла.
Абсорбція - це виборче поглинання одного або декількох компонентів газової суміші рідким поглиначем (абсорбентом). Виробничий цикл включає абсорбцію (при низьких температурах і підвищених тисках) і десорбції поглиненого речовини (при нагріванні і зниженні тиску). Як абсорбентів зазвичай використовуються органічні і неорганічні розчинники. Як правило, процеси абсорбції і десорбції просторово розділені. Очищення і розділення газової суміші проходить в двох апаратах. В одному (абсорбере) протікає абсорбція будь-якого компонента охолодженим абсорбентом, в іншому (регенераторі) - десорбція, при цьому виділяється поглинене речовина з розчину і регенерується абсорбент. У регенераторі - підвищена температура і знижений тиск.
В сорбційних методах, особливо при абсорбції, має місце не тільки фізико-хімічне поглинання одного речовини іншим, а й хімічну взаємодію. В цьому випадку інтенсифікація процесу багато в чому залежить від швидкості хімічної реакції. А швидкість хімічної реакції, як відомо, залежить від наступних факторів: концентрації, температури, тиску.
Слід зазначити, що поглинання на твердому поглиначі називається сухий очищенням, поглинання розчином - мокрою.
Мембранний метод очищення газових сумішей заснований на поділі за допомогою мікропористих перегородок (або мембран), проникних для молекул одного виду і непроникних для молекул іншого виду. Мембранний метод поділу найбільш досконалий, так як виключені високі тиску і низькі температури. У мембранних апаратах розділяють повітря на азот і кисень, метан і водень, метан і гелій.
Слід зазначити, що гази очищають також від пилу, наприклад: в сернокислотном виробництві очищають пічної газ, отриманий при випалюванні колчедану; очищають повітря, що подається на окислення, у виробництві сірчаної та азотної кислот.
Особливо слід відзначити, що в технології неорганічних речовин необхідно очищати газові суміші від вологи, наприклад: повітря, що подається на окислення, піддається висушування.
Метод конденсації заснований на відмінності температур кипіння компонентів.
При поділі газів методом глибокого охолодження газову суміш охолоджують до дуже низьких температур, при цьому відбувається послідовне скраплення складових компонентів, кожна фракція переходить в рідкий стан при своїй температурі. Таким способом можна розділити газову суміш на окремі компоненти або фракції.
Область низьких температур ділять:
- на помірний холод (інтервал температур від - 70 до - 100 0 С);
- глибокий холод (температури нижче - 100 0 С).
Для охолодження до помірного холоду в якості холодоагентів зазвичай використовуються зріджені гази: аміак (t кип = - 33,35 0 С),
діоксид сірки (t кип = - 10,0 0 С), пропан (t кип = - 42,1 0 С),
бутан (t кип = - 0,5 0 С), тобто речовини з низькими температурами кипіння. Охолодження газу відбувається внаслідок того, що холодоагент поглинає тепло при випаровуванні.
Помірне охолодження застосовується в різних галузях хімічної та харчової промисловості, а також при гірничих роботах.
Глибоким холодом користуються для скраплення повітря
(T кип = - 192,0 0 С), і наступного виділення з нього азоту
Глибоке охолодження застосовують також для виділення водню (t кип = - 252,8 0 С) з коксового газу, етилену (t кип = - 103,7 0 С) з газів крекінгу вуглеводнів
Для отримання глибокого холоду застосовують холодильні машини. Робота холодильних машин заснована на властивості реальних газів охолоджуватися при розширенні в певних умовах.
Розширення газу при переході від високого тиску до низького без здійснення роботи називається дроселюванням.
При розширенні (дроселювання) реального газу без здійснення зовнішньої роботи і без теплообміну з навколишнім середовищем відбувається охолодження газу, так як відбувається робота з подолання сил тяжіння між молекулами, в результаті чого температура газу знижується. Це явище називається ефектом Джоуля - Томсона. Його використовують для досягнення низьких температур.