孫　瑋，高天龍，夏山林，徐永峰，梁肅臣

(中昊光明化工研究設(shè)計(jì)院有限公司，遼寧 大連 116031)

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·研究與開發(fā)·

化學(xué)吸收法脫除尾氣中硒化氫的模擬計(jì)算

孫瑋，高天龍，夏山林，徐永峰，梁肅臣

(中昊光明化工研究設(shè)計(jì)院有限公司，遼寧 大連 116031)

應(yīng)用Aspen Plus軟件模擬計(jì)算了以氫氧化鈉水溶液為吸收劑脫除尾氣中硒化氫組分的化學(xué)吸收過程。分析討論了吸收劑流量、濃度、溫度等參數(shù)對(duì)脫除效果的影響，得出適用于模擬工況吸收過程的設(shè)計(jì)操作條件。模擬結(jié)果可以為實(shí)際工業(yè)設(shè)計(jì)及操作過程提供參考依據(jù)。

氫氧化鈉；化學(xué)吸收；硒化氫；模擬計(jì)算；Aspen Plus

0　引　言

硒化氫是LED和集成電路制造過程中重要的原材料、摻雜氣體和還原氣[1]，是制備高性能紅外光學(xué)材料ZnSe的關(guān)鍵原材料[2-3]，也是制備銅銦鎵硒(CIGS)薄膜太陽能電池硒化過程的重要原材料[4-5]。

在眾多應(yīng)用領(lǐng)域以及硒化氫氣體產(chǎn)品制備的過程中均會(huì)涉及到含硒化氫組分的尾氣排放問題[6-8]。硒化氫是一種無色、易燃、劇毒物質(zhì)，對(duì)眼結(jié)膜和上呼吸道黏膜有強(qiáng)烈刺激作用，會(huì)使人頭暈、惡心，有溶血作用和硒沉積癥等危害，最高容許含量為0.1×10-6[9]。以往已有過相關(guān)人員在接觸硒化氫以后導(dǎo)致慢性或急性中毒，造成人身傷害甚至致死的報(bào)道。因此，對(duì)含有硒化氫尾氣的處理需要引起特別重視，以避免泄漏污染和傷害事故的發(fā)生。

工業(yè)上針對(duì)氣態(tài)污染物的處理方法主要有吸收、吸附、燃燒和冷凝等。其中，化學(xué)吸收法以其具有高選擇性、高吸收速率等特有的優(yōu)勢(shì)，已被較多使用和研發(fā)硒化氫產(chǎn)品的單位選用[6-8,10-11]。應(yīng)用方面，如何結(jié)合具體工況有效、合理的設(shè)計(jì)吸收塔以及優(yōu)化操作參數(shù)是建立尾氣處理單元重要的環(huán)節(jié)。

本文選用逆流填料塔處理工藝，以氫氧化鈉水溶液為吸收劑，利用化工標(biāo)準(zhǔn)流程模擬軟件Aspen Plus模擬計(jì)算堿液反應(yīng)脫除硒化氫的化學(xué)吸收過程。判斷工藝實(shí)現(xiàn)深度脫除硒化氫的可行性，分析操作參數(shù)對(duì)吸收過程的影響，為實(shí)際工業(yè)過程提供參考依據(jù)。

1　模擬計(jì)算模型

本文利用Rate-based模型對(duì)氫氧化鈉水溶液吸收脫除尾氣中硒化氫的過程進(jìn)行模擬。為了簡(jiǎn)化計(jì)算過程，對(duì)模擬過程做以下幾點(diǎn)假設(shè)。

1. 尾氣組成為N2和H2Se的混合氣(摩爾比為9:1)，流量為10 kg/h，初始溫度為25℃；2. 塔內(nèi)氣液兩相混合均勻；3. 亨利組分是N2、H2Se；4. 不考慮軸向擴(kuò)散。

圖1　化學(xué)吸收法脫除硒化氫的工藝示意圖

圖1為化學(xué)吸收法脫除硒化氫工藝的示意圖，來自前端工藝過程的尾氣經(jīng)加壓后進(jìn)入吸收塔底部，自下而上從塔頂排出。吸收液從吸收塔頂部噴入，在塔內(nèi)與尾氣中硒化氫發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，富液從塔底排出并引至后續(xù)處理環(huán)節(jié)。本文以凈化氣中H2Se的含量作為衡量脫除效果的分析指標(biāo)，計(jì)算分析了吸收劑流量、吸收劑溫度和吸收劑濃度等幾個(gè)參數(shù)對(duì)脫除效果的影響。

計(jì)算選用電解質(zhì)NRTL活度系數(shù)模型。對(duì)應(yīng)亨利常數(shù)隨溫度的變化關(guān)系根據(jù)式(1)計(jì)算得到，其中aij、bij、cij、dij和eij的取值來自Aspen Plus的數(shù)據(jù)庫。

(1)

吸收劑物性數(shù)據(jù)是直接影響整個(gè)吸收過程模擬的重要基礎(chǔ)參數(shù)，因此本文將AspenPlus模擬得到的物性數(shù)據(jù)與文獻(xiàn)已有的數(shù)據(jù)進(jìn)行比較分析，以驗(yàn)證模型數(shù)據(jù)的可靠性。

計(jì)算模型考慮的反應(yīng)方程：

H2O+HSe-?H3O++Se2-

H2O+H2Se?H3O++HSe-

2H2O?OH-+H3O+

H2Se+OH-?HSe-+H2O

HSe-+OH-?Se2-+H2O

NaOH→Na++OH-

Na2Se→Se2-+2Na+

模擬過程中尾氣、吸收劑以及吸收塔的主要參數(shù)列于表1。

表1　計(jì)算模型的相關(guān)參數(shù)

注：吸收劑流量及吸收塔相關(guān)參數(shù)取值自計(jì)算結(jié)果

2　模擬計(jì)算結(jié)果與討論

2.1物性參數(shù)的模擬

利用Aspen Plus模擬得到的亨利常數(shù)隨溫度的變化關(guān)系如圖2所示。

圖2　H2Se-H2O系統(tǒng)的亨利常數(shù)隨溫度變化關(guān)系

利用Aspen Plus模擬得到的氫氧化鈉水溶液密度隨濃度變化關(guān)系如圖3所示，模擬結(jié)果與文獻(xiàn)[12]數(shù)據(jù)的相關(guān)系數(shù)為0.994。

圖3　氫氧化鈉水溶液密度隨濃度變化關(guān)系

利用Aspen Plus模擬得到的氫氧化鈉水溶液黏度隨濃度變化關(guān)系見圖4所示，結(jié)果與文獻(xiàn)[12]數(shù)據(jù)的相關(guān)系數(shù)為0.981。

圖4　氫氧化鈉水溶液黏度隨濃度變化關(guān)系

利用Aspen Plus模擬得到的氫氧化鈉水溶液表面張力隨濃度變化關(guān)系見圖5所示，結(jié)果與文獻(xiàn)[12]數(shù)據(jù)的相關(guān)系數(shù)為0.998。對(duì)比以上Aspen Plus模擬結(jié)果與已有文獻(xiàn)報(bào)道的數(shù)據(jù)可以看出，計(jì)算模型所涉及吸收劑的物性參數(shù)較為可靠。

圖5　氫氧化鈉水溶液表面張力隨溫度變化關(guān)系

2.2溫度對(duì)吸收的影響

溫度是影響吸收效果的重要參數(shù)，溫度的改變會(huì)同時(shí)影響物理溶解度以及化學(xué)反應(yīng)過程。凈化氣中H2Se含量隨吸收劑溫度變化的計(jì)算結(jié)果如圖6所示，脫除效果隨溫度的升高而下降，且在超過40℃以后脫除效果下降更加明顯。

降低吸收劑溫度能夠明顯提高H2Se脫除效率是由于NaOH與H2Se的反應(yīng)過程是一個(gè)放熱過程，低溫有利于促進(jìn)反應(yīng)向正反應(yīng)方向進(jìn)行。然而，在實(shí)際操作過程中，需要結(jié)合處理工況，考慮實(shí)現(xiàn)低溫的能耗以及流體粘度變化等因素的影響來調(diào)整吸收劑溫度參數(shù)。本文也對(duì)不同尾氣進(jìn)料溫度的情形進(jìn)行了模擬計(jì)算，但脫除效果隨之變化并不明顯，這是由于該吸收過程的反應(yīng)溫度受液相溫度控制。

圖6　吸收劑溫度對(duì)脫除效果的影響

2.3吸收液濃度對(duì)吸收的影響

圖7為模擬計(jì)算吸收劑中氫氧化鈉濃度對(duì)脫除效果的影響，可以看出，隨氫氧化鈉質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加，凈化氣中H2Se的含量隨之降低，且降低趨勢(shì)趨于平緩。氫氧化鈉質(zhì)量分?jǐn)?shù)在0～0.2的范圍內(nèi)增加時(shí)，脫除效果提升非常顯著，當(dāng)NaOH的質(zhì)量分?jǐn)?shù)超過0.3后，尾氣中的H2Se幾乎被完全吸收。

圖7　吸收劑濃度對(duì)脫除效果的影響

2.4吸收液流量對(duì)吸收的影響

當(dāng)氣相進(jìn)料流量一定時(shí)，吸收劑流量的增加會(huì)降低界面?zhèn)髻|(zhì)阻力，提高傳遞速率，因此吸收劑流量的合理選取會(huì)對(duì)脫除效果有顯著的影響。計(jì)算結(jié)果表明，隨著吸收劑流量的增加，凈化氣中的H2Se的含量隨之降低，如圖8所示。但隨著吸收劑流量的增加，出口H2Se的濃度降低速率變得平緩，當(dāng)流量超過800 kg/h時(shí)，氣相中的H2Se幾乎被全部吸收。因此，在實(shí)際操作過程中，需要同時(shí)考慮處理效果以及經(jīng)濟(jì)效益等因素，選取合適的吸收劑濃度和流量。

圖8　吸收劑流量對(duì)脫除效果的影響

3　結(jié)　論

利用Aspen Plus軟件分析計(jì)算了堿液脫除尾氣中H2Se組分的化學(xué)吸收過程。結(jié)果表明，氫氧化鈉水溶液適用于脫除尾氣中的H2Se組分，降低吸收劑溫度，提高吸收劑濃度及流量有利于實(shí)現(xiàn)H2Se組分的深度脫除。需要指出的是，本模型僅考慮了簡(jiǎn)單的尾氣組成情況，且部分參數(shù)取值來自軟件的數(shù)據(jù)庫和估算，在實(shí)際的設(shè)計(jì)和操作過程中，需要針對(duì)具體的尾氣情況，結(jié)合更多可靠的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)以及相關(guān)參數(shù)對(duì)計(jì)算模型進(jìn)行驗(yàn)證和調(diào)整，才能更準(zhǔn)確的對(duì)過程進(jìn)行預(yù)測(cè)和分析。

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移動(dòng)式六氟化硫和四氟化碳

混合氣體快速回收補(bǔ)氣裝置

申請(qǐng)(專利)號(hào)：201610336894.0

公開(公告)日：2016-08-17

申請(qǐng)(專利權(quán))人：國(guó)家電網(wǎng)公司 國(guó)網(wǎng)安徽省電力公司電力科學(xué)研究院 河南省日立信股份有限公司

摘要：移動(dòng)式六氟化硫和四氟化碳混合氣體快速回收補(bǔ)氣裝置，包括混合氣體回收系統(tǒng)、混合氣體分離系統(tǒng)、制冷機(jī)組、六氟化硫?qū)Ｓ脡撼湎到y(tǒng)、四氟化碳專用壓充系統(tǒng)、混合氣體配氣充氣系統(tǒng)和抽真空系統(tǒng)，混合氣體回收系統(tǒng)的出氣口與混合氣體分離系統(tǒng)的進(jìn)氣口連接，混合氣體分離系統(tǒng)的出氣口與四氟化碳專用壓充系統(tǒng)的進(jìn)氣口連接，混合氣體分離系統(tǒng)的出液口與六氟化硫?qū)Ｓ脡撼湎到y(tǒng)的進(jìn)液口連接。本發(fā)明實(shí)現(xiàn)了混合絕緣氣體現(xiàn)場(chǎng)快速回收，并將混合氣體簡(jiǎn)單分離、分離后的氣體儲(chǔ)存、以及現(xiàn)場(chǎng)高精動(dòng)態(tài)配氣補(bǔ)氣的功能；通過混合氣體配氣充氣系統(tǒng)進(jìn)行補(bǔ)氣，不僅可以快速高效準(zhǔn)確的配置所需比例的氣體，也彌補(bǔ)了通常用分壓補(bǔ)氣法在準(zhǔn)確度以及效率上的不足。

SF6氣體收集系統(tǒng)

申請(qǐng)(專利)號(hào)：201610180385.3

公開(公告)日：2016-08-17

申請(qǐng)(專利權(quán))人：國(guó)網(wǎng)北京市電力公司

國(guó)家電網(wǎng)公司

摘要：本發(fā)明提供了一種SF6氣體收集系統(tǒng)，包括：氣體儲(chǔ)存裝置，氣體儲(chǔ)存裝置的進(jìn)氣口通過收集管路與具有SF6變壓器的變壓器室連通，以使變壓器室內(nèi)的SF6氣體收集在氣體儲(chǔ)存裝置內(nèi)；回收管路，回收管路的一端與SF6電氣設(shè)備連接，回收管路的另一端與氣體儲(chǔ)存裝置的進(jìn)氣口連通，以將SF6電氣設(shè)備內(nèi)的SF6氣體回收到氣體儲(chǔ)存裝置內(nèi)；回充管路，回充管路的一端與氣體儲(chǔ)存裝置的出氣口連接，回充管路的另一端與SF6電氣設(shè)備連接，以將氣體儲(chǔ)存裝置內(nèi)的氣體充入SF6電氣設(shè)備內(nèi)。本發(fā)明中的SF6氣體收集系統(tǒng)解決了現(xiàn)有技術(shù)中的室內(nèi)的SF6變壓器發(fā)生故障時(shí)容易使SF6發(fā)生泄漏進(jìn)而引起環(huán)境污染的問題。

Simulation of Removal of H2Se from Industrial Exhaust By a Chemical Absorption Method

SUN Wei, GAO Tianlong, XIA Shanlin, XU Yongfeng, LIANG Suchen

(Zhonghao Guangming Research & Design Institute of Chemical Industry Co., Ltd., Dalian 116031, China)

The removal of hydrogen selenide component using aqueous solution of sodium hydroxide was simulated with Aspen Plus. The influence of flow rate，temperatures and concentration of absorbent on absorption were analyzed. The results indicate that the hydrogen selenide can be effectively removed by the reaction with sodium hydroxide solution via a chemical absorption process. The design and operating parameters applied to the simulating condition were obtained，and the simulation results can be used as reference for the future actual process.

sodium hydroxide; chemical absorption; hydrogen selenide; simulation; Aspen Plus

2016-08-01

TQ117

A

1007-7804(2016)04-0008-04

10.3969/j.issn.1007-7804.2016.04.003

孫瑋(1985)，男，博士研究生，工程師，現(xiàn)于中昊光明化工研究設(shè)計(jì)院有限公司從事特種氣體及相關(guān)工藝的研發(fā)與設(shè)計(jì)工作。