Získávání vodíku z rafinérských plynů

V některých rafinériích se vodík získává z plynů odcházejících z různých procesů, např. hydrokrakování, hydrorafinace, fluidní katalytické krakování apod. V těchto plynech je vodík značně zředěn plynnými uhlovodíky, zejména metanem. Vodík se z těchto plynů získává kryogenní fázovou separací, adsorpcí nebo difuzí.

Kryogenní fázová separace. Při tomto způsobu získávání vodíku jsou z plynu obsahujícího vodík nejprve odstraněny vypíráním kyselé plyny (CO2 a H2S) a sušením voda. Poté je plyn ochlazen na cca -150 °C při tlaku 1,4 - 3,5 MPa, čímž dojde ke zkondezování všech uhlovodíků včetně metanu. V plynné fázi zůstane vodík o čistotě cca 90 % obj. Proces je poměrně energeticky náročný, protože plyny je nutno ochladit na velmi nízkou teplotu. Používá se pro získávání vodíku hlavně v případech, kdy je k dispozici velké množství plynu obsahujícího další hodnotné uhlovodíky, např. lehké alkeny (plyny z pyrolýzy, FCC apod.).

Difuze. Difuzní procesy separují vodík od metanu a jiných plynů pomocí speciálních polopropustných membrán. Vodík má malou molekulu a difunduje skrz membránu, zatímco ostatní plyny membránou neprocházejí. Čistota získaného vodíku se v závislosti na složení surového plynu pohybuje v rozmezí 90 - 98 % obj.

Difuze na membránách, které jsou zhotovené z palladia nebo slitiny palladia a stříbra, probíhá při teplotě cca 350 °C a tlaku 2 MPa. Pro získávání vodíku z rafinérských plynů se používají také asymetrické membrány založené na acetylcelulóze nebo dutých vláknech z polysulfonu s aktivní vrstvou ze siloxanu. Difuze probíhá v řadě separátorů řazených za sebou při teplotě až 100 °C a počátečním tlaku až 15 MPa.

Adsorpce. Při adsorpčních procesech jsou nežádoucí látky z plynu obsahujícího vodík adsorbovány na aktivním uhlí (záchyt CO2, CH4 a jiné uhlovodíky) a zeolitovém molekulovém sítu (záchyt CO). Po nasycení adsorbentu v jednom adsorbéru se proud plynu vede do druhého adsorbéru a první adsorbér se regeneruje, tj. vytěsní se z něj adsorbované uhlovodíky.

Příkladem adsorpčního procesu používaného k získávání vodíku z rafinérských plynů je proces PSA (Pressure Swing Adsorption). Jednotka PSA má obvykle 4 - 12 adsorbérů. Typický cyklus adsorbéru, který trvá 3 - 10 minut, se skládá z těchto činností:

• Adsorpce plynů doprovázejících vodík za tlaku cca 2,8 MPa, adsorbér produkuje čistý vodík.
• Postupné snižování tlaku v adsorbéru až na cca 0,4 MPa, uvolňovaný plyn, který obsahuje velké množství vodíku, se používá na promývání adsorbérů nacházejících se ve fázi 3.
• Další snížení tlaku na 0,2 MPa, desorpce nečistot a promývání adsorbéru plyny uvolňovanými z jiného adsorbéru ve fázi 2. Desorbované plyny a promývací plyn s uvolněnými nečistotami se vedou do zásobníku odpadních plynů.
• Tlakování adsorbéru plyny, ze kterých se v následující fázi 1 bude získávat čistý vodík.

Schématické znázornění jednotlivých fází adsorbéru v jednotce PSA

Adsorpce a desorpce se provádí při téměř stejné teplotě okolo 40 °C. Přesným automatickým přepínáním režimů v jednotlivých adsorbérech se dosahuje kontinuální produkce vodíku o čistotě až 99,9 % obj. V závislosti na složení rafinérských plynů a použité technologii dosahuje účinnost PSA při získávání vodíku 70 - 90 %, zbytek vodíku zůstává v odpadních plynech, které se používají v rafinérii k otopu pecí.