第6章-气体净化及控制

无机材料合成第六章气体净化及控制技术第一节气源常用气源：1、钢瓶注：1）阀门的安全性，是否漏气？2）气体纯度，几个9？3）气瓶容量4）主要杂质5)是否需要进一步提纯？2、气体发生器注：1）特殊气源，如H2SHCN等2）用于气量需求小的场合(1)标记气体气瓶、输气管道字样字样颜色线条颜色氢气深绿氢红红氧气天蓝氧黑-氮气黑氮黄棕工业氩气黑工业氩天蓝白纯氩气灰纯氩绿白二氧化碳黑二氧化碳黄-一氧化碳红一氧化碳红-硫化氢白硫化氢红红二氧化硫黑二氧化硫白黄氯气草绿氯白白氨气黄氨黑-石油气灰石油气红-(2)使用钢瓶的注意事项1已充气的钢瓶如受热，将会使内部气体膨胀，当压力超过钢瓶最大负荷时将会爆炸，所以钢瓶应存放在阴凉、干燥、远离阳光、暖气等热源，远离易燃物。2使用时要用气表(CO2、NH3可例外)，各种气表一般不得混合。一般可燃性气体的钢瓶是正扣的(逆时针方向进)3开启气门时,应站在气压表的另一侧，更不允许把头或身体对钢瓶总阀门，以防万一阀门或气压表冲出伤人，开启气门时用力要轻而均匀，速度不可太快。4使用时随时观察钢瓶内的压力，钢瓶使用一段时间后(如两年)要进行检验。对不合格的气瓶应坚决报废或降级使用，以防发生事故。(3)气表及氧气钢瓶的使用气表即减压阀，由高压和低压室组成。氧气钢瓶用的减压阀即为氧气表。第二节气体的净化气体的净化主要包括以下三个方面：1）液雾与固体颗粒的除去2）气体的干燥3）杂质去除一、气体的净化过程1、液雾与固体颗粒的除去液雾：固体颗粒和水雾形成的，液雾是一种细微粒。除雾冷陷阱：将带有液雾的气体通入一条弯形管里，经过一经加热到200℃的管子的上部加热，然后进入装入液氮的下部管冷却，一冷一热反复数次，沸点高的液雾和固体微粒就会被冷却下来，使最后出来的气体比较纯净。液氮加热至200℃2、气体的干燥干燥气体的方法：（1）压缩法：利用恒温下饱和水蒸气是随着总压力的增加而减小的原理，但一般需要100～200标准压力，而且会液化许多气体，所以使用受限。（2）降温法：在-78℃，水的饱和蒸气压降为1.33×10-7Pa。（3）使用干燥剂物理法：气体液化1、加压2、降温化学干燥法：1、吸附2、潮解3、发生反应干燥剂的使用1）干燥剂的选择①干燥剂吸附水的容量越大越好；②吸附速率越快越好；③吸附达平衡后，气体中残留水蒸气压越小越好；④干燥剂的再生能力强，且容易处理。★潮解：加热除水★吸附：加热、减压、吹洗。就是靠提高温度和降低被吸气体分压促进被吸附物质解析。2）常用的干燥剂P2O5：在以上干燥剂中，干燥效果最好，但使用受限。硅胶：它是以SiO2为主体的玻璃状物质，试验中最常用的。注：A.用于处理湿度较大的气体，湿度低于35%，吸附容量迅速降低。B.硅胶能吸附易液化的气体，影响干燥效果；C.硅胶吸水时要放出热量，因此吸附高温气体时，需要冷却装置；D.可再生,在120～150℃的烘箱中除水；E.对许多气体都适用；D.硅胶为乳白色，在其中加入无水氯化钴，其颜色会随吸附水量增加，颜色发生变化：X6421.510颜色粉红红淡红紫暗红紫紫蓝浅蓝3）干燥的步骤①粗脱水：采用吸附容量大，快速，残留水蒸气压稍大、便宜的干燥剂；②精细脱水：选择残留水蒸气压小的干燥剂；③最后经冷陷阱进行低温冷却干燥。3、杂质去除（1）脱氧方法金属脱氧催化脱氧原理金属与氧反应生成氧化物在催化剂作用下使氢中的氧与氢结合成水适用不活泼气体的脱氧H2气的脱氧脱氧剂/催化剂铜丝或铜屑、镁屑（600℃）海绵钛（800～1000℃）铬蒸气型分子筛（900℃）铂、钯做催化剂石棉做载体（400℃）（2）脱氮：使用钙、钠、钾、钡等碱、碱土金属及其合金。（3）脱CO2：苛性钠或苛性钾水溶液。（4）Cl2、SO2等有毒气体：活性炭二、气体净化方法实验室中净化气体常用的方法有：吸收、吸附、化学催化和冷凝。1.吸收：气体通过吸收剂时，其中的杂质能被吸收剂吸收，吸收剂与被吸收杂质要发生化学反应。注：1）合理选择吸收剂，不要把待净化的气体也吸收了；2）液体吸收剂——洗涤瓶，固体吸收剂——干燥塔；3）通过溶液吸收剂后，还需干燥脱水。气体吸收剂及吸气反应被吸气体吸收剂吸气反应CO2KOH或NaOH水溶液，33％碱石灰或碱石棉CO2+2KOH＝K2CO3+H2OCO2+2NaOH＝Na2CO3+H2OSO2KOH水溶液含KI的碘溶液SO2+2KOH＝K2SO3+H2OSO2+I2+2H2O＝H2SO4+2HICO氯化亚铜的氨性溶液2CO+Cu2Cl2＝2Cu2Cl2.2COO2碱性焦性没食子酸溶液（15℃以上效果较好）1/2O2+2C6H3(OK)3＝(KO)3C6H2－C6H2(OK)3+H2OH2SKOH溶液含KI的碘溶液H2S+2KOH＝K2S+2H2OH2S+I2＝2HI+SCl2KOH溶液KI溶液Cl2+2KOH＝KClO+KCl+H2OCl2+2KI＝I2+2KClN2Ca或Mg（500～600℃）N2+3Ca＝Ca3N2N2+3Mg＝Mg3N22.吸附：实验室中常用多孔的固体吸附剂来吸附杂气体。注：1）吸附与吸收的差别在于吸附仅发生在吸附剂表面。2）要求比表面积大，例：硅胶、活性炭、分子筛等。3）4）吸附法可以净化到液体吸收所不能达到的程度。（加热、降压）吸附解析动态平衡再生用于防毒面具:活性炭活性炭的制备:比表面达1000m2/g,孔径分布很广,孔隙也大,吸附容量和吸附速率都大.能吸附有毒气体.炭经过加热活化处理,可以除去孔隙中的胶状物质,增加其吸附表面积固体吸附剂吸附剂硅胶活性炭13X分子筛10X分子筛4A分子筛5A分子筛比表面500～100010301030～800750～800分子筛A高效能、多选择性的吸附剂B分子筛的筛选作用和选择性吸附主要由其结构特性所决定.筛选作用是根据分子大小不同而产生的不同选择性吸附作用C分子筛对沸点不同的物质也有选择性.物质沸点越低,越不易被吸附。D分子筛的热稳定性也很好。E分子筛对不同物质的吸附特性也各异。3.化学催化：借助于催化剂，使杂质吸附在催化剂表面上，并与气体中的其他组分发生反应，转变为无害的物质，或者转化为比原存杂质更易于除去的物质，这也是一种净化气体的有效方法。应用:–工业尾气和烟气去除SO2和NOx–有机挥发性气体VOCs和臭气的催化燃烧净化–汽车尾气的催化净化NOxNH3filterCombustorMixerReactorNOx的选择性催化还原（SCR）OHNNONH222312768OHNNONH2236564催化剂200-300℃：Pt(Pd,Fe,Cu,Mn)/Al2O3(TiO2,V2O5)4.冷凝：气体通过低温介质可使其中易冷凝的杂质（如水蒸气）凝结而与气体分离。冷凝温度越低，则杂质的蒸气压也越低，杂质越少，此手段常用于对纯度要求比较高的气体净化最后阶段。应用1：发动机排气的净化发动机尾气中有害气体的成分技术和措施归结为两类：1、机内净化：一般是通过改善可燃混合气的品质和燃烧状况，减少有害气体的产生；2、机外净化措施：机外净化是使用设置在发动机外部的附加装置使排出的废气得到处理或净化，然后再排入大气。应用2：潜艇有害气体综合净化催化燃烧技术光催化技术新型吸附材料催化氧化技术：非贵金属、贵金属催化剂生物净化技术低温等离子体技术几种常用气体的净化方法（1）氮气实验室用氮气大多为空气分离法获得的瓶装高压氮气,其所含气体杂质为O2、CO2、H2O及微量惰性气体。净化方法是先通过650ºC的活性铜,再用焦性没食子酸碱性溶液去除O2,而后用50%的KOH溶液去除CO2,最后干燥脱水。可按CaCl2→硅胶→分子筛→P2O5程序脱水。净化系统N298%KOH碱石棉CO2硅胶或氯化钙H2O分子筛H2OP2O5H2O除尘过滤器N299.99%Mg600℃O2Cu屑500℃（2）氢钢瓶装的氢气其纯度为99.7%～99.9%，仅有少量空气杂质，一般可以不再处理。实验室利用小型电解制氢设备制氢，有时有少量碱雾，可通过1000℃石英砂的石英管去除。用Zn＋H2SO4制氢时，往往含有酸雾，可用粒状KOH除去。干燥可采用CaCl2→浓H2SO4→P2O5程序。用量不大的高纯氢可用钯管来净化。氢是易燃易爆气体，净化处理时务必注意安全。H298%硅胶H2O钯管分子筛H2O105催化剂Pt或钯丝棉O2O2分子筛H2O过滤器除尘P2O5H2OH299.99%钢瓶第三节定组成混合气体的配制（1）静态混合法：将气体按所需比例先后充入储气袋中，均匀混合后，使用时放出即可。（2）动态混合法:将待混合的各种气体分别通过流量计准确测量出各自的流量，然后回合在一起使用。各气体的流量比就是混合后的分压比。（3）平衡法动态混合法流量计流量计：用于气体流量的测定和控制。气体流量计主要有：（1）转子流量计注：a.转子流量计的刻度用已知流量的空气来进行标定；b.转子流量计的精度不高。对于不同气氛选用不同转子流量计，要进行标定和转换。（2）毛细管流量计注：a.结构简单，精确度高；b.测量量程与管的内径和长度有关。R越小，用于流量越小的测量。第四节使用气体应注意的技术问题1.气体连接管道1）最好使用金属管道。2）管道在安装前，应先用溶剂，除去油脂或胶质。3）擦洗管道，除去尘埃等杂质。2.装置中气体的切换1）抽空法：将反应器抽成真空，再充入工作气体。2）驱赶法：将工作气体以较大流量通入系统内将之前气体驱赶走。方法是否用泵所需时间适用性抽空法有短对于前后两种会发生反应或混合后易爆炸的情况，只能用抽空法驱赶法无长作业：1、气体的净化步骤？2、气体净化的主要方法？3、气体的干燥的步骤？