化学吸收法脱除尾气中硒化氢的模拟计算

孙　玮，高天龙，夏山林，徐永峰，梁肃臣

(中昊光明化工研究设计院有限公司，辽宁 大连 116031)



·研究与开发·

化学吸收法脱除尾气中硒化氢的模拟计算

孙玮，高天龙，夏山林，徐永峰，梁肃臣

(中昊光明化工研究设计院有限公司，辽宁 大连 116031)

应用Aspen Plus软件模拟计算了以氢氧化钠水溶液为吸收剂脱除尾气中硒化氢组分的化学吸收过程。分析讨论了吸收剂流量、浓度、温度等参数对脱除效果的影响，得出适用于模拟工况吸收过程的设计操作条件。模拟结果可以为实际工业设计及操作过程提供参考依据。

氢氧化钠；化学吸收；硒化氢；模拟计算；Aspen Plus

0　引　言

硒化氢是LED和集成电路制造过程中重要的原材料、掺杂气体和还原气[1]，是制备高性能红外光学材料ZnSe的关键原材料[2-3]，也是制备铜铟镓硒(CIGS)薄膜太阳能电池硒化过程的重要原材料[4-5]。

在众多应用领域以及硒化氢气体产品制备的过程中均会涉及到含硒化氢组分的尾气排放问题[6-8]。硒化氢是一种无色、易燃、剧毒物质，对眼结膜和上呼吸道黏膜有强烈刺激作用，会使人头晕、恶心，有溶血作用和硒沉积症等危害，最高容许含量为0.1×10-6[9]。以往已有过相关人员在接触硒化氢以后导致慢性或急性中毒，造成人身伤害甚至致死的报道。因此，对含有硒化氢尾气的处理需要引起特别重视，以避免泄漏污染和伤害事故的发生。

工业上针对气态污染物的处理方法主要有吸收、吸附、燃烧和冷凝等。其中，化学吸收法以其具有高选择性、高吸收速率等特有的优势，已被较多使用和研发硒化氢产品的单位选用[6-8,10-11]。应用方面，如何结合具体工况有效、合理的设计吸收塔以及优化操作参数是建立尾气处理单元重要的环节。

本文选用逆流填料塔处理工艺，以氢氧化钠水溶液为吸收剂，利用化工标准流程模拟软件Aspen Plus模拟计算碱液反应脱除硒化氢的化学吸收过程。判断工艺实现深度脱除硒化氢的可行性，分析操作参数对吸收过程的影响，为实际工业过程提供参考依据。

1　模拟计算模型

本文利用Rate-based模型对氢氧化钠水溶液吸收脱除尾气中硒化氢的过程进行模拟。为了简化计算过程，对模拟过程做以下几点假设。

1. 尾气组成为N2和H2Se的混合气(摩尔比为9:1)，流量为10 kg/h，初始温度为25℃；2. 塔内气液两相混合均匀；3. 亨利组分是N2、H2Se；4. 不考虑轴向扩散。

图1　化学吸收法脱除硒化氢的工艺示意图

图1为化学吸收法脱除硒化氢工艺的示意图，来自前端工艺过程的尾气经加压后进入吸收塔底部，自下而上从塔顶排出。吸收液从吸收塔顶部喷入，在塔内与尾气中硒化氢发生化学反应，富液从塔底排出并引至后续处理环节。本文以净化气中H2Se的含量作为衡量脱除效果的分析指标，计算分析了吸收剂流量、吸收剂温度和吸收剂浓度等几个参数对脱除效果的影响。

计算选用电解质NRTL活度系数模型。对应亨利常数随温度的变化关系根据式(1)计算得到，其中aij、bij、cij、dij和eij的取值来自Aspen Plus的数据库。

(1)

吸收剂物性数据是直接影响整个吸收过程模拟的重要基础参数，因此本文将AspenPlus模拟得到的物性数据与文献已有的数据进行比较分析，以验证模型数据的可靠性。

计算模型考虑的反应方程：

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+

模拟过程中尾气、吸收剂以及吸收塔的主要参数列于表1。

表1　计算模型的相关参数

注：吸收剂流量及吸收塔相关参数取值自计算结果

2　模拟计算结果与讨论

2.1物性参数的模拟

利用Aspen Plus模拟得到的亨利常数随温度的变化关系如图2所示。

图2　H2Se-H2O系统的亨利常数随温度变化关系

利用Aspen Plus模拟得到的氢氧化钠水溶液密度随浓度变化关系如图3所示，模拟结果与文献[12]数据的相关系数为0.994。

图3　氢氧化钠水溶液密度随浓度变化关系

利用Aspen Plus模拟得到的氢氧化钠水溶液黏度随浓度变化关系见图4所示，结果与文献[12]数据的相关系数为0.981。

图4　氢氧化钠水溶液黏度随浓度变化关系

利用Aspen Plus模拟得到的氢氧化钠水溶液表面张力随浓度变化关系见图5所示，结果与文献[12]数据的相关系数为0.998。对比以上Aspen Plus模拟结果与已有文献报道的数据可以看出，计算模型所涉及吸收剂的物性参数较为可靠。

图5　氢氧化钠水溶液表面张力随温度变化关系

2.2温度对吸收的影响

温度是影响吸收效果的重要参数，温度的改变会同时影响物理溶解度以及化学反应过程。净化气中H2Se含量随吸收剂温度变化的计算结果如图6所示，脱除效果随温度的升高而下降，且在超过40℃以后脱除效果下降更加明显。

降低吸收剂温度能够明显提高H2Se脱除效率是由于NaOH与H2Se的反应过程是一个放热过程，低温有利于促进反应向正反应方向进行。然而，在实际操作过程中，需要结合处理工况，考虑实现低温的能耗以及流体粘度变化等因素的影响来调整吸收剂温度参数。本文也对不同尾气进料温度的情形进行了模拟计算，但脱除效果随之变化并不明显，这是由于该吸收过程的反应温度受液相温度控制。

图6　吸收剂温度对脱除效果的影响

2.3吸收液浓度对吸收的影响

图7为模拟计算吸收剂中氢氧化钠浓度对脱除效果的影响，可以看出，随氢氧化钠质量分数的增加，净化气中H2Se的含量随之降低，且降低趋势趋于平缓。氢氧化钠质量分数在0～0.2的范围内增加时，脱除效果提升非常显著，当NaOH的质量分数超过0.3后，尾气中的H2Se几乎被完全吸收。

图7　吸收剂浓度对脱除效果的影响

2.4吸收液流量对吸收的影响

当气相进料流量一定时，吸收剂流量的增加会降低界面传质阻力，提高传递速率，因此吸收剂流量的合理选取会对脱除效果有显著的影响。计算结果表明，随着吸收剂流量的增加，净化气中的H2Se的含量随之降低，如图8所示。但随着吸收剂流量的增加，出口H2Se的浓度降低速率变得平缓，当流量超过800 kg/h时，气相中的H2Se几乎被全部吸收。因此，在实际操作过程中，需要同时考虑处理效果以及经济效益等因素，选取合适的吸收剂浓度和流量。

图8　吸收剂流量对脱除效果的影响

3　结　论

利用Aspen Plus软件分析计算了碱液脱除尾气中H2Se组分的化学吸收过程。结果表明，氢氧化钠水溶液适用于脱除尾气中的H2Se组分，降低吸收剂温度，提高吸收剂浓度及流量有利于实现H2Se组分的深度脱除。需要指出的是，本模型仅考虑了简单的尾气组成情况，且部分参数取值来自软件的数据库和估算，在实际的设计和操作过程中，需要针对具体的尾气情况，结合更多可靠的实验数据以及相关参数对计算模型进行验证和调整，才能更准确的对过程进行预测和分析。

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[12] 刘光启，马连湘，项曙光. 化学化工物性数据手册：无机卷[G]. 北京：化学工业出版社，2013.

移动式六氟化硫和四氟化碳

混合气体快速回收补气装置

申请(专利)号：201610336894.0

公开(公告)日：2016-08-17

申请(专利权)人：国家电网公司 国网安徽省电力公司电力科学研究院 河南省日立信股份有限公司

摘要：移动式六氟化硫和四氟化碳混合气体快速回收补气装置，包括混合气体回收系统、混合气体分离系统、制冷机组、六氟化硫专用压充系统、四氟化碳专用压充系统、混合气体配气充气系统和抽真空系统，混合气体回收系统的出气口与混合气体分离系统的进气口连接，混合气体分离系统的出气口与四氟化碳专用压充系统的进气口连接，混合气体分离系统的出液口与六氟化硫专用压充系统的进液口连接。本发明实现了混合绝缘气体现场快速回收，并将混合气体简单分离、分离后的气体储存、以及现场高精动态配气补气的功能；通过混合气体配气充气系统进行补气，不仅可以快速高效准确的配置所需比例的气体，也弥补了通常用分压补气法在准确度以及效率上的不足。

SF6气体收集系统

申请(专利)号：201610180385.3

公开(公告)日：2016-08-17

申请(专利权)人：国网北京市电力公司

国家电网公司

摘要：本发明提供了一种SF6气体收集系统，包括：气体储存装置，气体储存装置的进气口通过收集管路与具有SF6变压器的变压器室连通，以使变压器室内的SF6气体收集在气体储存装置内；回收管路，回收管路的一端与SF6电气设备连接，回收管路的另一端与气体储存装置的进气口连通，以将SF6电气设备内的SF6气体回收到气体储存装置内；回充管路，回充管路的一端与气体储存装置的出气口连接，回充管路的另一端与SF6电气设备连接，以将气体储存装置内的气体充入SF6电气设备内。本发明中的SF6气体收集系统解决了现有技术中的室内的SF6变压器发生故障时容易使SF6发生泄漏进而引起环境污染的问题。

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

孙玮(1985)，男，博士研究生，工程师，现于中昊光明化工研究设计院有限公司从事特种气体及相关工艺的研发与设计工作。