气体净化及气氛控制ppt课件.ppt
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1、第四章 气体净化及气氛控制,4.1几种常用气体的特征及其制取方法4.2常用气体的净化方法及气体净化4.3混合气体的配制4.4气体流量的测定4.5气体的储存及安全使用,氮气主要分布在地球表面的大气层中,它在大气中的体积百分比约为78,另外在地层中也蕴藏有氮气氮气是一种重要的物质,在化学工业、电子工业、生物工程、食品工业和科学研究等领域中有着广泛的应用,特别是在合成氨工业中,它是取之不尽的原料.,4.1几种常用气体的特征及其制取方法,4.1.1氮气,氮气,分子式N2,常温常压下是无色、无味的气体,常压下,氮气可以微溶于水,也可以溶于多种有机溶剂。,2.氮气的化学性质,在通常条件下,氮是化学惰性的.
2、在常温、常压下,除金属锂等极少数元素外,氮几乎不与任何物质发生反应.在高温、高压或有催化剂存在的条件下,氮可以与氢、氧、碳等非金属元素以及某些金属元素发生反应.反应生成物中,氮主要表现为正五价或负三价。例如,氮与氢反应生成氨:,在温度高于1900K时能缓慢反应生成氢氰酸:,室温下,锂是能与氮直接反应的极少数金属元素之一,反应生成氮化锂:,除锂之外,金属元素中,铍和其它碱土金属,过渡金属,钪、钇及镧系金属,钍、铀、钚等锕系金属以及铅、锗等在高温下均能与氮反应生成金属氮化物.除上述金属元素和非金属元素外,在高温下,氮与一些化合物也能发生反应。,1.氮气的物理性质(自学p179表8-1),4.1.1
3、氮气,(1)空气分离法制备,4.氮气的制备方法,工业主要采取低温精馏法从空气中分离回收氮气.近年来采用变压吸附法和膜分离法,分离空气制氮的装置逐渐增多。变压吸附法具有设备简单、操作方便、投资省等优点。膜分离制氮法是20世纪80年代新兴的高科技技术,虽然起步较晚,但发展很快,它的流程更加简单、装置紧凑、操作简便、启动速度低、能耗低、寿命长、运行稳定可靠,越来越受到关注。,4.1.1氮气,(2)化学法制氮,A 燃烧法 加压空气与可燃性气体按比例混合,进入燃烧室燃烧,生成CO2、H2O、少量的CO和H2,氮不参与反应.设法除杂质即可得纯氮。不过这种方法一般已不用。B 氨热分解法 在600、10115
4、15kPa的条件下,在钯催化剂存在 下分解氮,生成氮和氢的混合物,配入适量空气燃烧除去氢即得纯氮.这种方法在合金热处理工艺中仍有应用.C 叠氮化钠(NaN3)热分解 实验室中制取少量的高纯氮可采用此法。将重结晶的并经干燥过的叠氮化钠放入密闭的容器中,抽空并加热至275以上温度,NaN3分解成Na和N2。,4.1.1氮气,4.氮气的制备方法,(3)高纯氮的制取,钢瓶装的氮气一般都是由液态空气精馏制得,纯度都在99.9以上.质量好的氮气纯度可达99.999.有害杂质主要有H2、O2、CO、CO2和H2O 净化方法:H2O和CO2可以用分子筛吸附法脱除。H2和CO可用催化法脱除。微量O2的脱除可采用
5、402型高效脱氧剂。另外,一种称为PEN型的高效脱氧剂成功地应用于大规模工业生产。PEN型脱氧剂强度高,使用温度为常温200,再生温度250350,在450不烧结,不失活,脱氧深度为0.110-6,使用寿命长达5年。,4.1.1氮气,4.氮气的制备方法,4.1.2 氧气,(1)氧气的物理性质(见p181表8-2)无色,无味;密度1.43g/L,微溶于水,顺磁性气体(2)氧气的化学性质 氧是最活泼的元素之一,除氦、氖和氩等稀有气体和一些不活泼金属外,氧几乎能同所有的元素形成化合物。除O2外,自然界还存在氧的二种同素异形体,即O3,O4,臭氧(O3)是比氧气(O2)更强的氧化剂,能在温和的条件下进
6、行反应。,4.1几种常用气体的特征及其制取方法,3、氧气的制取方法,(1)空气分离法制氧 空气分离制氧可以采用四种方法,即低温精馏法,常温变压吸附法,膜分离法和吸收法。,4.1.2 氧气,低温精馏法已有近100年的历史,此法工艺成熟,产品纯度高,在生产气态氧的同时,也能生产液态氧,适于大规模生产。,膜分离法是近年来发展起来的方法,主要用于制取含氧量2545的富氧空气.这种技术真正成熟,还要有一个较长的发展过程。,吸收法制氧是20世纪80年代以来开发出的一种新工艺,其基本原理是高温碱性熔盐在催化剂的作用下,能吸收空气中的氧气,然后调节温度可以解吸放出氧气,用来吸收氧的盐为工业纯的碱金属硝酸盐Na
7、K(NO3)2。,(2)水电解法制氧,锂、钠、钾的氯酸盐或者过氯酸盐都有受热发生分解反应放出氧的这一特性,可以制成供呼吸使用或供某些性质,利用他们特殊场合使用的氧发生器,比较著名的是“氯酸盐氧烛”.氯酸钠受热分解时产生10-6数量级的氯气,必须设法除去.通常使用BaO2作除氯剂,大部分氯在与过氧化钡接触过程中被化合成氯化钡,并放出氧气.过氧化钡除氯的缺点是,它会导致烛体点燃迟钝,使用中有氧滞后现象,采用过氧化锂可改善初期放氧速度。,4.1.2 氧气 3、氧气的制取方法,用水电解法制氧时,如先用氢气鼓泡反吹软水原料,以除去溶解于水中的氮和其它气体杂质,再将电解氧脱氢,很容易得到纯度为99.995
8、99.999的高纯氧。,(3)化学法制氧,氯酸盐和过氯酸盐分解,过氧化物和超氧化物分解,过氧化钾(KO2),过氧化钠(NaO2),过氧化钙Ca(O2)2等遇水后,均发生分解反应并放出氧气,则:,4.1.2 氧气 4、氧气的制取方法,(3)化学法制氧,过氧化钠小心地溶于冷水中,得到含有氢氧化钠与过氧化氢的溶液.氢氧化钠与二氧化碳相接触会生成碳酸钠,过氧化氢受热后发生分解反应放出氧气.,式中M代表碱金属,过氧化钠与水,二氧化碳反应,即可吸收二氧化碳又可产生氧,(3)氧气的制取方法,低温精馏法适用于大规模生产变压吸附法适用于中小规模生产膜分离法主要用于制取含氧量 25 45 的富氧空气吸收法制氧高温
9、碱性熔盐在催化剂的作用 下,能吸收空气中的氧气,然后调节温度可以 解吸放出氧气,氯酸盐和过氯酸盐分解过氧化物和超氧化物分解,容易得到纯度为99.995 99.999 的高纯氧,1)空气分离法制氧,2)水电解法制氧-,3)化学法制氧,4.1.3氢气,氢是主要的工业原料,也是最重要的工业气体和特种气体,在石油化工,电子工业,冶金工业,食品加工,浮法玻璃,精细有机合成,航空航天等方面有着广泛的应用.同时,氢也是一种理想的二次能源。,1、氢气的物理性质,常温下,分子氢无色,无臭,无毒,易着火,燃烧时呈微弱的白色火焰。氢气的一般物理性质(见P183表8-3),2、氢气的化学性质,可以和金属及非金属发生反
10、应,(1).氢与非金属单质的反应,氢与卤素(X2)可直接化合生成卤化氢,氢与氧在加热或催化剂作用可直接发生反应,氢与氮气在有催化剂或放电情况下可直接化合生成氨:,石磨电极在氢气中发生电弧时能产生烃类化合物:,氢除了上述的几种反应之外,还有原子氢的反应,还原反 应,氢脆反应等。,(2).氢气与金属的反应,4.1.3氢气,2、氢气的化学性质,氢与金属互相化合生成氢化物。按照与其相结合的元素在周期表中的位置和氢化物在物理和化学性质上的差异,可以分成离子型氢化物、共价型氢化物、过渡金属氢化物、边界氢化物和配位氢化物五种类型。,(3).合成气反应,合成气主要由不同比例的H2和CO组成.不同条件下,选用不
11、同催化剂,氢和一氧化碳反应可合成多种有机化合物.,重要的反应有:甲醇和乙二醇的合成,费托(Fischer-Tropsch)法合成烃,甲烷化,合成聚乙烯,醇的同系化反应,与不饱和烃反应制醛等。,(2)工业生产方法:以化工原料为例,活泼金属与水反应;金属与酸反应;金属同强碱作用;金属氢化物同水反应;实验室规模水溶液电解,氢离子在电解池阴极获得电子产生氢气。,烃的蒸汽转化法烃的部分氧化法煤气化法18%水电解法4%,77%,4.1.3氢气,3、氢气的制取方法,(1)实验室制氢,4.1.4二氧化碳,CO2还可以用其它方法还原,常用的还原剂为H2:,自然界中,二氧化碳是最丰富的化学物质之一,它为大气组成的
12、一部分,也包含在某些天然气或油田伴生气中以及以碳酸盐形式存在的矿石中.大气里二氧化碳的含量为0.030.04。,1.二氧化碳物理性质,二氧化碳比空气重,约为空气重量的1.53倍,是无色而略带刺鼻气味和微酸味的气体.其主要物理性质见P185表8-4。,2.二氧化碳的化学性质,通常情况下,CO2性质稳定,不活泼,无毒性,不燃烧,不助燃.在高温或有催化剂存在的情况下,CO2也能参加一些化学反应。,(1)还原反应,在CO2中,燃烧着的镁,铝,钾等活泼金属可以继续保持燃烧,反应生成金属氧化物,析出游离态碳:,在加热和催化剂作用下,CO2还可被烃类还原:,在高温(170200)和高压(13.824.6MP
13、a)下,CO2和氨反应,首先生成氨基甲酸铵:,接着氨基甲酸铵失去一分子水生成尿素CO(NH2)2,这个反应是CO2化工应用中最重要的反应之一.它被广泛用于尿素及其衍生物的生产过程中。,CO2在有机合成中的另一重要反应是Kolbe-Schmitt反应,即苯酚钠的羧化反应.在升温加压和有铜锌催化剂存在时,用CO2,CO和H2的气态混合物可以合成甲醇,CO2和H2发生如下反应:,(3)生化反应,CO2在地球环境中起重要作用。在植物新陈代谢过程中,在光和叶绿素的作用下,利用空气中的CO2与水反应合成糖等有机物,同时释放出氧气:,可以被碳还原,(2)有机合成反应,可供工业回收的富CO2气源(两大类),天
14、然CO2气源 CO2或者富CO2气田,其CO2的含量为1599。,量最大也是最重要,4.1.4二氧化碳,4.二氧化碳的制取方法,工业副产气源,氨厂和制氢装置,发酵过程,石灰生产,烟道气,即可综合利用碳资源,又可治理因工业废气排放带来的环境污染.,气体净化技术常用方法:(1)吸收 吸收是将杂质气体溶于吸收剂内,此时多半发 生化学反应。吸收剂多为液体,也用固体。常见的吸收剂及其吸气反应请见表8-5(P186)液态吸收剂装于洗涤瓶内,固态吸收剂则需置在干燥塔或干燥管中.选用吸附剂时应注意,在吸收杂质时不要把待净化的气体也吸收了。,冷凝和过滤,3.2.1气体净化的基本方法,吸收、,吸附、,化学催化、,
15、4.2常用气体的净化方法及气体净化,用多孔的固体作吸收剂来处理混合气体,使其中一种或数种杂质被吸附在固体表面上,从而达到分离净化的目的.固体的比表面越大,其吸附量也越大.所以吸附剂必须是多孔的,这样的吸附剂具有巨大的内表面.吸附速率与下列四个因素有关:被吸气体向吸附剂表面的扩散(外部扩散)速率;被吸气体和吸附剂孔道的相对大小;吸附剂和被吸物质间的吸附力;温度。,4.2常用气体的净化方法及气体净化 4.2.1气体净化的基本方法,(2)吸附,吸附是净化气体常用的方法之一。,常用吸附剂的比表面请见表8-6(P187)。,(3)化学催化,催化剂的作用:控制反应速率或者使反应沿着特定的途径进行.反应物被
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