提纯系统

提纯系统（精选7篇）

提纯系统 篇1

1 引言(工艺控制系统图和工艺系统简述)

1.1 工艺控制系统图

工艺控制流程图如图1所示

1.2 工艺系统简述

提纯工艺流程是将存储在原料罐内的酒精原料由泵Pump1打入#1精馏塔中,从塔的中部进料,酒精原料的流量采用单回路P I D控制,若该流量不稳定会导致整个工艺的不稳定。#1精馏塔有两个控制点,一个控制点是塔顶的回流比控制,回流比越大,则越容易提纯,但这样生产速度会变慢,产量会变低,同样的,回流比越小,则越不容易提纯,但生产速度会加快,产量会增加。回流比的大小由具体的工艺来决定。因为该工艺在生产过程中塔釜并不出料,故回流比控制其实是回流量的控制,生产的初始阶段采用全回流。另一个控制点在塔中部是温度控制点,采用温度-流量的串级调节方式[1]。

冷却水在此工艺中扮演重要的角色,系统实时监视冷却水管路压力[2],若冷却水压力过低,则关闭泵Pump1,停止蒸馏过程,以免塔内压力过大,避免发生事故。

塔釜的液位控制是精馏塔控制的重要环节。若液位低于下限时,停止蒸汽加热,当液位下限回升到正常范围时,重新启动蒸汽加热。当液位高于上限时,关闭泵P u m p 1,停止进料。当液位从上限回落到正常范围时,重新启动原料泵[3]。

#2﹑#3精馏塔的控制方式于#1精馏塔基本相同,唯一不同在于:当#2蒸馏塔的液位过高时,#1蒸馏塔将停止回流比控制,采取全回流。当#3蒸馏塔的液位过高时,#2蒸馏塔将停止回流比控制,采取全回流。

本生产工艺是间歇式的,精馏过程的时间是以完成分析醇的产量决定的,改产量由F I C-1 0 1流量测量累加得到的。当产量达到设定值时,关闭泵P u m p 1,停止#1精馏塔进料,此时#1塔液位将逐步下降。当液位低于下限时,#1塔蒸汽加热停止,即#1塔停止工作;接着#2塔液位开始下降,当低于下限时,#2塔蒸汽加热停止,即#2塔停止工作;接着#3塔液位开始下降,当低于下限时,#3塔蒸汽加热停止,即#3塔停止工作。当#1﹑#2﹑#3塔的蒸汽加热停止后,自然冷却一段时间后,开启S V 1﹑SV2﹑SV3,将3个塔的塔釜废料排入废品罐,酒精提纯工艺流程结束。

2 I/O参数和控制系统硬件配置

2.1 I/O参数

根据上面的工艺简述,可以总结出系统的I/O参数,开关量参数表见表1,模拟量参数表见表2

2.2控制系统硬件配置图

2.2.1 开关量硬件配置

根据上面的工艺分析知道,控制系统共有8个开关输入点,出于系统扩展的考虑,可以选用1块标准16点I/O单元,型号为CS1W-ID211,通道号为:0000;系统共有5个开关量输出点,可以选用1块标准16点I/O单元,型号为CS1W-OD211,通道号为:0001。

2.2.2 模拟量硬件配置

系统内有7个模拟量输出点,用来控制调节阀的开度,调节阀要求4～2 0 m A的信号,可以选用D/A单元,型号为:CS1W-08C,设单元号为1。它的第1路～7路调节阀FTV-101～FTV-302.

系统有10个模拟量输入点,其中温度输入3路,均来自3线制热电偶温度计,应选1块热电阻输入单元,型号为CS1W-PTS02,设单元号为2;它的第1～3路接热电偶T101～T103

7路流量输入,采用2线制,要求进行开方处理,应选2块A/D单元,型号为:CS1W-PTWO1,分别设单元号为3﹑4。单元号为3的CS1W-PTWO1的第1～3路接变送器F101～F103;单元号为4的CS1W-PTWO1的第1～4路接变送器F201～F302

2.2.3 控制器

控制器采用O M R O N的高中端型P L C,型号为CS1G-H CPU44,并在C P U单元上内插了一块适用于多回路PID控制的回路控制板,型号是:CS1W-LCB01,实现对3个精馏塔温度-流量串级控制,以及流量,回流量的单回路P I D控制。

2.2.4 人机接口

采用OMRON NT631C彩色触摸屏,它是集显示﹑操控﹑报警﹑打印历史报表﹑参数设置等功能于一体的可编程终端。本控制系统除系统开关外,所有的人机处理工作均由PT来实现[4]。

2.2.5 温度和信号范围

热电偶温度计的测温范围是0～150℃,流量变送器的输入信号为:0～3t/h,输入信号范围均为:4～20mA。

该控制系统硬件配置图如图2所示

3 控制系统软件流程及工作原理

3.1 控制系统软件流程

乙醇蒸馏过程可以分为:进料﹑精馏和出料三个阶段,其中蒸馏过程包括精馏塔温度控制和塔顶回流比控制。控制系统软件流程如图3所示

3.2 工作原理

3.2.1 进料阶段

首先启动SW-1,然后启动SV4,判断PIA101L是否为ON,若为ON代表SV4为启动,若为OFF,则可以启动泵Pump1

3.2.2 蒸馏阶段

待泵Pump1启动后,FIC101-FTV103构成单回路PID调节原料进料量,若#1蒸馏塔液位为下限则进料,然后TIC101-FIC102-FTV101构成串级PID调节塔内温度,接着FIC103-FTV102构成单回路PID调节塔顶回流量,接下来#1蒸馏塔液位为上限则关闭泵Pump1。按#1精馏塔控制方式实施#2﹑#3精馏塔温度﹑回流比﹑液位控制。

3.2.3 出料阶段

首先判断产量是否达到设定值,若达到则关闭泵P u m p 1,然后判断#1蒸馏塔液位,若为下限则关闭#1蒸馏塔塔釜蒸汽阀开度,然后判断#2蒸馏塔液位,若为下限则关闭#2蒸馏塔塔釜蒸汽阀开度,接下来判断#2蒸馏塔液位,若为下限则关闭#3蒸馏塔塔釜蒸汽阀开度。然后延时10min,关闭冷却水阀开,接着开启#1蒸馏塔塔釜出料阀、#2蒸馏塔塔釜出料阀、#3蒸馏塔塔釜出料阀。延时5 m i n后,关闭#1蒸馏塔塔釜出料阀、#2蒸馏塔塔釜出料阀、#3蒸馏塔塔釜出料阀最后关闭总开关(S W-1)。结束整个过程。

4 结束语

本系统能很好地满足客户的需要,在实际生产中方案比较及流程优化,使酒精产品的能耗、物耗降低。创新点在于:

(1)通过三级精馏,使各流股的能量得到更充分的利用;

(2)通过精馏工艺,废水的合理回用,降低酒精生产过程中一次水用量。

摘要：酒精(乙醇)提纯工艺属于间歇反应,目的是将纯度为95℅～98℅的酒精经过三重蒸馏生成达99.99℅以上纯度。本系统中将提纯过程分为进料﹑精馏和出料三个阶段。利用OMREN PLC对三个阶段进行控制以达到提纯的目的。

关键词：酒精提纯,OMRON,PLC,PID

参考文献

[1]曹辉,霍罡.可编程控制器原理和应用[M].北京:北京电子工业出版社,2003

[2]孟华.工业过程检测和控制[M].北京:北京航空航天出版社,2002

[3]胡寿松.自动化原理第3版[M].北京:国防工业出版社,2000

[4]廖常.LC编程和应用[M].北京:机械工业出版社,2003

提纯系统 篇2

煤层气俗称矿井瓦斯, CH4含量达95%以上, 是优质的清洁燃料和化工原料, 是一种新型洁净能源。我国煤层气资源非常丰富, 已探明的储量约为30~35×1012m3, 居世界第三位;同时我国又是世界上最大的煤层气排放国家, 煤层气年排放量约为8~10×109m3, 占全球排放量的1/4左右。但是长期以来, 我国CH4浓度低于30%的瓦斯都是当做废气直接向大气中排放, 既浪费了能源又产生了严的环境重污染。

煤矿低浓瓦斯提纯系统采用了真空变压吸附 (VPSA) 技术, 依托监控系统对工艺参数检测及程控阀等的控制, 经过吸附、均压降压、抽真空、均压升压和产品气升压等步骤, 将抽采出的的低浓瓦斯进行提纯到30%以上。

2 监控系统结构与功能

2.1 系统结构

监控系统采用上位+下位式结构, 下位采用西门子S7-300可编程控制器, 该控制器带有PROFIBUS-DP总线接口与以太网接口模块构成监控系统主站, 完成工业现场数据的自动控制和实时数据采集功能, 实现对真空泵、程控阀等的联锁控制;系统结构如图1。上位工控机安装西门子Wincc工业组态软件, 通过以太网与PLC进行实时数据交互, 实现数据的检测与调节、瓦斯质量与流量累计、故障报警、历史数据记录等功能。控制室上位机通过以太网与PLC进行通讯, 可以将其采集到的数据进行报表打印, 参数、故障显示等集中管理。上位机配有与上级管理系统通讯的接口, 可与局广域网相连, 使上级管理系统实现对储配站的监控和调配, 控制系统网络系统图如图2所示。

2.2 系统功能

控制系统具有有自动和手动两种模式, 正常情况下采用全自动模式, 系统根据图2示意控制系统控制过程, 自动完成工艺系统的步序, 无需人员操作。当压力变送器故障或工况需要时, 将系统选择在手动模式下, 运行人员可在上位机人机交互界面中输入各工艺参数和操作单台设备。

2.3 控制算法

本系统对泵、程控阀等设备是常规的“启-停”控制, 放空气终升调节阀用于调节吸附塔终升的速度, 该调节阀的工作状态将影响装置放空气的稳定, 这里采用了控制理论中的经常用到的PID调节。

PID控制算法是根据偏差的值, 按照一定的函数关系进行计算, 用所得的运算结果对系统进行控制。PID控制有位置式控制和增量式控制, 这里采用了增量式控制, 方程如下:

PID控制器的参数整定是控制系统设计的核心内容。它是根据被控过程的特性确定PID控制器的比例系数、积分时间和微分时间的大小。在此工作段内, 采用自适应调节方式, 控制回路采用PID控制, 其给定值由程序内部给定, 给定值为变量, 变量的起点为开始升压时刻的正在升压的吸附塔的压力测量值, 变量的终止点为放空气压力值的设定值。

2.4 控制系统注意事项

(1) 本系统的运行依靠计算机控制系统, 控制系统出故障, 整个系统将瘫痪, 因此, 对控制系统的安全、可靠性要求比较高, 实际运行中, 控制系统使用不间断电源, 保证市电掉电后保持不小于1h的工作时间;采取上位系统设冗余;下位系统留有20%以上的备用点, 且关键元器件设有备件。

(2) 提纯系统中程控阀的动作非常的频繁, 如果某个程控阀不动作, 则对应的提纯塔罐将无法工作, 针对这个问题, 一方面选用可高频动作的输出继电器, 并留有备用, 出现故障可直接热插拔替换;另一方面将程控阀的开、关状态通过阀位传感器反馈给PLC系统, 用于状态显示和监控, 并通过与输出信号的对比实现阀门故障的判断与报警。

3 总结与展望

煤矿低浓瓦斯提纯技术 (VPSA) 的研究成功, 将彻底改变目前低浓瓦斯只能用于发电这种单一利用模式, 为低浓瓦斯利用的多样化奠定基础, 也将大幅度提高煤矿瓦斯的利用率, 在一定程度上改变我国的能源结构, 为我国节约大量的清洁能源, 减少对环境的污染, 将会使我国低浓瓦斯利用产业化, 必将创造巨大的环境效益、经济效益和社会效益。

煤矿低浓瓦斯提纯将会被广泛应用, 在以后的工程实践中可做以下的改进与探索:

(1) 可以将第一阶段提纯到的浓度为30~45%的瓦斯气作为原料气进行二次提纯, 得到95%以上并符合国家天然气标准的工业天然气, 从而拓展到天然气利用的各个领域。

(2) 可以进行试验, 得到吸附剂吸附能力与塔罐压力、吸附时间的关系, 从而实现计算机控制系统的精确控制, 提高提纯系统的效率。

(3) 可以改进PID控制算法, 得到更符合本系统的比例积分、微分参数。

参考文献

[1]张增平.煤矿低浓瓦斯提纯技术及经济性分析.中国煤层气, 2010, 2.

[2]田文广, 李五忠.煤矿区煤层气综合开发利用模式探讨.天然气工业, 2008, 3, 28.

物质的分离与提纯 篇3

考点1 实验操作和主要仪器

这类题目要求根据混合物的性质和特点, 选择合适的分离方法, 以及每一种分离方法需要的主要仪器。题型主要是选择题和综合实验题。这里涉及的分离方法主要是物理方法, 如结晶、分液、萃取、过滤、蒸馏等。

例1.2015年我国药学家屠呦呦获得诺贝尔生理学或医学奖, 她主要利用乙醚、溶剂汽油从青蒿中提取青蒿素。在实验室模拟她的实验, 主要方法和玻璃仪器是 ( )

解析:利用乙醚、汽油作萃取剂, 从青蒿中提取青蒿素, 关键操作是萃取。

答案:C

【归纳总结】中学涉及的重要物理分离方法和主要仪器如下:

考点2 化学仪器的正确使用方法

选择题中对中学重要仪器的正确使用方法的考查, 一般以组合型选择题的形式为主, 命题点主要是实验仪器的使用细节。

例2.下列有关说法正确的是 ( )

A.用过滤操作分离乙醇和乙酸的混合物

B.分离互不相溶液体的上层时, 从分液漏斗的上口倒出

C.蒸馏装置中, 水银球上沿与蒸馏烧杯支管口下沿对齐

D.蒸发过程中, 不要用玻璃棒搅拌, 避免损失产品

解析:A项, 用蒸馏法分离乙醇和乙酸的混合物, 二者互溶;B项, 分液漏斗的上层液体从上口倒出;D项, 蒸发过程中要用玻璃棒不断搅拌, 使液体受热均匀, 加快溶剂的挥发。

答案:C

【归纳总结】高考常考的重要仪器: (1) 三种漏斗:分液漏斗 (分液、添加液体等) ;普通漏斗 (过滤、添加液体) ;长颈漏斗 (添加液体、装配安全装置) 。 (2) 温度计 (测定蒸气温度、测定溶液温度) 。 (3) 滴定管:酸式滴定管;碱式滴定管;棕色滴定管。 (4) 容量瓶 (指明规格, 100mL、250mL、500mL、1000mL等) 。 (5) 冷凝管:球形冷凝管 (冷凝回流) ;直形冷凝管 (冷凝回流、冷凝分馏物) 。 (6) 锥形瓶 (锥形瓶口小, 便于振荡, 用于承接液体和中和滴定实验, 不可用烧杯替代锥形瓶) 。

考点3 有机物的制备和混合物的分离、提纯

这类题以微型有机化工流程为载体, 将化学原理与混合物的分离方法相融合, 将有机物和无机物进行整合。

例3.丙烯酸甲酯是合成功能高分子材料的单体, 丙烯酸甲酯粗产品的分离方案如下。下列有关说法正确的是 ( )

A.操作1 中可以用氢氧化钠溶液替代碳酸钠溶液

B.操作2使用的主要仪器是蒸馏烧瓶、球形冷凝管

C.操作3用到6种玻璃仪器, 可用CuSO4检验甲醇中的水

D.试剂A可以是浓硫酸、盐酸、硝酸等比丙烯酸酸性强的酸

解析:A项, 酯在氢氧化钠溶液中能完全水解, 不能用氢氧化钠替代碳酸钠;B项, 操作2是分液, 使用的主要仪器有分液漏斗、烧杯、玻璃棒;C项, 蒸馏出甲醇, 甲醇中可能混有水, 用无水硫酸铜检验, 蒸馏用到的玻璃仪器有酒精灯、蒸馏烧瓶、温度计、直形冷凝管、牛角管、锥形瓶, 共6种玻璃仪器;D项, 操作4是蒸馏, 盐酸、硝酸的沸点低, 易挥发出酸, 收集的丙烯酸不纯。

答案:C

【辨析比较】 (1) 三种分离操作与必需的玻璃仪器的种数:过滤———3 种玻璃仪器;分液———3种玻璃仪器;蒸馏———6 种玻璃仪器。 (2) 硫酸用于制气:用稀硫酸可以制取H2、H2S;用较浓硫酸制备SO2;根据高沸点酸制低沸点酸原理, 可用浓硫酸制备HF、HCl、HNO3、CH3COOH等;利用浓硫酸的吸水性, 将浓盐酸滴入浓硫酸中, 可制备少量氯化氢。

考点4 选择混合物的分离试剂

用化学方法分离混合物, 要选择合适的试剂对混合物的组成进行转化。一般涉及金属单质、酸性氧化物、碱性氧化物、两性氧化物、亚铁盐与铁盐之间的转化、金属离子的沉淀等。

例4.从含SiO2、Al2O3、CuO、Fe2O3、MgO的混合物中分离出Al2O3, 按从左至右添加试剂的顺序正确的是 ( )

A.氨水、盐酸、氢氧化钠溶液

B.盐酸、氢氧化钠、二氧化碳

C.氢氧化钠、二氧化碳、氨水

D.硫酸溶液、氢氧化钠、盐酸

解析:利用“氧化铝是两性氧化物”进行分离。先加入过量盐酸, 过滤, 在滤液中加入过量氢氧化钠溶液, 过滤得到滤液, 向滤液中通入二氧化碳, 过滤得到氢氧化铝, 灼烧得到氧化铝。

答案:B

【思维拓展】本题还有另外一种加入试剂的方法:上述混合物与足量氢氧化钠溶液反应生成硅酸钠、偏铝酸钠等, 向滤液中加入足量盐酸, 过滤得到氯化铝, 再加入足量浓氨水, 过滤得到氢氧化铝, 灼烧得到氧化铝。

考点5 特殊试剂在混合物分离中的应用

中学化学实验, 如气体的净化、乙酸乙酯的提纯等都使用了特殊试剂。实验装置及操作题往往以这些特殊试剂为载体考查其应用。

例5.下列对物质的分析正确的是 ()

A.用饱和Na2CO3溶液除CO2中的SO2

B.用排饱和食盐水法收集Cl2

C.用排饱和氯化铵溶液法收集NH3

D.淀粉水解用浓硫酸作催化剂

解析:CO2溶于碳酸钠溶液, A项错误;Cl2在饱和食盐水中的溶解度很小, B项正确;NH3极易溶于氯化铵溶液, C项错误;淀粉水解使用稀硫酸作催化剂, D项错误。

答案:B

【归纳总结】中学实验中一些重要物质的用途: (1) N2、CO2、H2:排空气、平衡气压、作保护气、作反应物。 (2) 饱和食盐水:除氯气中的氯化氢、作反应物、减缓反应速率、降低硬脂酸钠的溶解度等。 (3) 饱和碳酸钠溶液:除去酯类中少量的醇和羧酸、除去有机物中的酸类物质、作洗涤剂。

考点6 有机物的分离方法和原理

这类试题将混合物的分离方法和分离原理联系起来, 考查范围较广, 综合性较强。

例6.下列有关有机物的分离方法和原理分析都正确的是 ( )

解析:乙烯和二氧化硫都能和溴水反应, , 应该用氢氧化钠溶液吸收乙烯中的SO2, A项错误;乙酸乙酯在氢氧化钠溶液中能完全水解, CH3COOCH2CH3+NaOH  →CH3COONa+CH3CH2OH, 应该用饱和碳酸钠溶液除去乙酸, 而乙酸乙酯在饱和碳酸钠溶液中的溶解度小, B项错误;碘溶于四氯化碳, 四氯化碳的沸点低于碘单质, 可以用蒸馏操作分离碘和四氯化碳的混合物, C项正确;苯和硝基苯都是液态有机物, 二者互溶, 分液是分离两种互不相溶的液体, 苯和硝基苯的沸点不同, 应采用蒸馏操作分离二者, D项错误。

答案:C

【方法点拨】根据有机物的化学性质和物理性质选择有机混合物的分离方法: (1) 液洗法。用溴的四氯化碳溶液除去乙烷中的乙烯, 不能用酸性高锰酸钾溶液除去乙烷中的乙烯, 因为乙烯和酸性高锰酸钾溶液反应生成二氧化碳, 在乙烷中引入新杂质。 (2) 用蒸馏操作分离沸点不同且互溶的液态有机物。如蒸馏石油、溴苯和苯的混合物等。直形冷凝管既可以竖直放置 (冷凝回流) , 也可以斜放 (冷凝馏分) , 球形冷凝管只能竖直放置 (冷凝回流) 。另外, 直长导管可以竖直放置, 起冷凝回流的作用。 (3) 用分液操作分离两种互不相溶的液体。有机物与无机物一般不互溶, 可以用分液操作分离, 如分离硝基苯和水。

考点7 通过微型无机化工流程考查混合物的分离

在无机化工流程中对实验操作和方法的考查是高考命题的热点, 一般涉及的方法有过滤、萃取、蒸发、结晶等。如2015年新课标全国卷Ⅱ第12题, 考查从海水中提取溴和镁。

例7.某同学设计从海带中提取碘晶体的方案如下。下列说法不正确的是 ( )

A.操作Ⅰ用到的玻璃仪器是烧杯、漏斗和玻璃棒

B.MnO2、稀H2SO4的作用是氧化I-生成I2

C.操作Ⅱ留下上层液体, 弃去下层液体

D.操作Ⅲ 中温度计的水银球与蒸馏烧瓶的支管口相平

解析:本题考查混合物的分离、提纯, 以及学生的实验基本操作技能和完成教材实验的能力。灰烬溶于蒸馏水, 操作Ⅰ是“过滤”, 过滤操作需要用烧杯、玻璃棒、漏斗三种玻璃仪器, A说法正确;MnO2、稀H2SO4的作用原理是, B说法正确;四氯化碳的密度比水大, 四氯化碳和碘组成的有机层在分液漏斗的下层, 弃去上层水溶液, C说法错误;操作Ⅲ采用蒸馏法分离碘和四氯化碳, D说法正确。

答案:C

【归纳总结】萃取、分液操作 (以碘水为例) :检漏→碘水装入分液漏斗→加萃取剂→振荡→放气→静置→分层 (萃取) →取下分液漏斗上部塞子→旋转分液漏斗下端活塞→刚好放出下层液体时关闭活塞→ 从上口倒出上层液体。注意:萃取、分液是两种操作, 萃取必须要分液。

考点8 用化学方法分离、提纯物质及其实验原理

用化学方法分离混合物, 一定涉及化学反应。常用的化学方法有液吸法、转化法、沉淀法等。

例8.下列对混合物的分离操作和原理分析正确的是 ( )

解析:灼热的氧化铜与CO反应生成CO2, 收集的CO中混有CO2, A项错误;向Fe (NO3) 3溶液中通入氯气, 会生成FeCl3杂质, 应该滴少量硝酸, 将Fe (NO3) 2转化成Fe (NO3) 3, B项错误;碳酸钠溶液的碱性较弱, 乙酸乙酯的水解程度很小, C项正确;乙醇与酸性高锰酸钾溶液反应, D项错误。

答案:C

【易错警示】 (1) 型烯烃与酸性高锰酸钾溶液的反应产物中有CO2。 (2) 一般用酸性高锰酸钾溶液、溴水检验乙烯, 用溴的四氯化碳溶液除去乙烯。

考点9 混合物的分离与仪器选择相结合

这类题将混合物的分离实验和性质实验相结合, 或利用同一种仪器可以进行多种实验, 来考查学生的发散性思维和综合实验能力。

例9.下图是中学常见的仪器:

请回答下列问题:

(1) 分离硝基苯和苯的混合物得到硝基苯, 需要选用的仪器是______________ (填字母, 下同) 。还需要______________种玻璃仪器。

(2) 除去乙烷中少量的乙烯, 选择装置______________, 试剂名称是______________。

(3) 实验室用浓盐酸和浓硫酸制少量氯化氢, 选择发生装置A而不选择C, 其主要原因是______________。使用C装置制备气体, 必须将长颈漏斗下端插入液面下, 目的是______________。

(4) 用D装置验证过氧化钠与SO2是否反应, 能证明发生反应的实验现象是______________;导出气体中一定含有______________。

解析: (1) 硝基苯和苯的沸点不同, 二者互溶, 采用蒸馏操作分离这两种有机物, 需要6种玻璃仪器, 即酒精灯、蒸馏烧瓶、温度计、直形冷凝管、牛角管和锥形瓶。 (2) 除去乙烷中的乙烯可以用溴水, 选择B装置 (相当于洗气瓶) 。 (3) A装置中可用分液漏斗分批次加入液体, 而C中长颈漏斗只能一次加入液体。 (4) 过氧化钠与SO2反应的化学方程式为不会完全反应。

答案: (1) E 5

(2) B溴水

(3) 分液漏斗能控制加入液体的速度防止气体逸出

(4) 浅黄色粉末变白色SO2

【易错警示】在选择仪器时要注明仪器名称, 如直形冷凝管和球形冷凝管, 蒸馏烧瓶和烧瓶, 分液漏斗、漏斗和长颈漏斗等。

考点10 无机化工流程中混合物的分离

近三年来, 无机化工题是高考化学的热点题型。在无机化工综合流程题中考查混合物的分离、检验与提纯是常见的命题方向。

例10.某地区有软锰矿和闪锌矿两座矿山, 它们的组成 (质量分数) 如下:

科研人员开发综合利用这两种资源的工艺, 主要产品为通过电解获得的锌和高纯度二氧化锰, 副产品为硫黄、少量铜等。设计简易工艺流程如下 (SO42-省略) :

请回答下列问题:

(1) 操作Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ都需要的玻璃仪器的名称是______________。

(2) 写出步骤 (1) 中CuS、MnO2和H2SO4反应的离子方程式:______________;步骤 (4) 电解过程中, 阳极的电极反应式为______________。

(3) 加入MnCO3、ZnCO3的目的是______________;用离子方程式表示加入产品B的目的:______________。

(4) 根据绿色化学的要求, 步骤 (1) 中的硫酸可以来自硫黄制硫酸和______________。

(5) 若需要用密度为1.84g·cm-3、质量分数为98%的浓硫酸配制150mL 1mol·L-1H2SO4溶液, 所需要的定量仪器是______________。

(6) 高纯度二氧化锰是碱性锌锰电池的正极材料, 写出该电池的正极反应式:______________。

解析:分析流程图知, 物质经过溶解、转化、沉淀、电解得到产品。 (1) 操作Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ都分离出固体, 采用“过滤”操作。 (2) 步骤 (1) 中发生的反应有:等。 步骤 (4) 中, 。步骤 (2) 中加入锌粒置换硫酸铜中的铜。 (3) 将Fe2+转化成Fe3+需要加入氧化剂:。加入碳酸锌、碳酸锰的作用如下:。Fe3+也发生类似的沉淀转化反应, 转化原理是氢氧化铁、氢氧化铝的溶解度 (或溶度积) 远小于碳酸锌、碳酸锰。 (4) 上述流程省略了硫酸根离子, 在步骤 (4) 中的阳极上生成了氢离子, 生成的硫酸可以循环利用。 (5) 需要150mL硫酸, 则要配制250mL硫酸溶液。取浓硫酸体积为V, 根据硫酸质量或物质的量不变知, V ×1.84g·cm-3×98%=0.25L×1mol·L-1×98g·mol-1, 解得V = 13.6mL。 故需要20.0mL量筒和250mL容量瓶 (量筒有多条刻度线, 容量瓶只有1条刻度线) 。 (6) 碱性锌锰电池的还原产物为氢氧化氧锰 (MnOOH) , 正极反应式为。

答案: (1) 烧杯、玻璃棒、漏斗

(4) 步骤 (4) 中阳极区产生的硫酸

(5) 20mL量筒、250mL容量瓶

【归纳总结】金属离子转化的几种方式: (1) 氧化法。 如Fe2+与H2O2、Cl2、NaClO、MnO2等反应;Mn2+与MnO4-反应。 (2) 沉淀法。如Cu2+、Mg2+溶液中的Al3+、Fe3+转化成Fe (OH) 3、Al (OH) 3等。 (3) 难溶物转化。如。

考点11 有机物制备中混合物的分离与提纯

有机物的制备是有机化学实验考查的重点和热点。在有机物的制备中常涉及一些混合物的分离与提纯, 以及洗涤、检验等, 即先制备, 后提纯, 最后计算的命题模式。

例11.某小组设计实验制备一硝基甲苯。

实验原理:

几种有机物的物理性质如下表所示:

实验步骤:

(1) 按浓硝酸与浓硫酸体积比3∶1配制混合酸40mL;

(2) 在三颈烧瓶中加入15mL甲苯;

(3) 按右图所示装好药品, 并装好其他仪器;

(4) 向三颈烧瓶里加入40mL混酸, 并不断搅拌;

(5) 控制温度约为50℃, 反应大约30min, 三颈烧瓶中有大量淡黄色油状液体出现;

(6) 分离、提纯一硝基甲苯。

请回答下列问题:

(1) 仪器b的名称是______________;水浴中缺少的仪器是______________。

(2) 配制混酸的操作方法是______________。

(3) 该实验所选用三颈烧瓶的规格是______________ (填字母) 。

A.50mL B.100mL

C.200mL D.500mL

(4) 分离产品的方案如下:

(1) 操作A的名称是______________;操作B需要的玻璃仪器有______________种。

(2) 操作Ⅱ用“5%NaOH溶液”洗涤的目的是______________;操作 Ⅲ 中用蒸馏水洗涤的目的是______________。

(3) 无机混合物的主要成分是______________ (填化学式) 。操作B最先收集的有机物馏分是______________ (填名称) 。

解析: (1) 冷凝管分球形冷凝管和直形冷凝管, 球形冷凝管主要起冷凝回流的作用。本实验要控制温度, 需要温度计。 (2) 浓硫酸的密度大于浓硝酸, 操作方法类似浓硫酸的稀释实验。 (3) 烧瓶中加热溶液体积介于烧瓶体积的1/3与2/3之间, 本实验中溶液总体积约为55mL, 故选100mL三颈烧瓶最合适。 (4) (1) 分离液体有机物和无机物, 用分液操作, 操作B使用的玻璃仪器有酒精灯、蒸馏烧瓶、温度计、直形冷凝管、牛角管、锥形瓶, 共6种。 (2) 用水洗涤产品中大量的无机杂质, 用氢氧化钠溶液中和残留的酸, 再用水洗涤残留的碱, 加入氧化钙除水, 蒸馏得到一硝基甲苯。 (3) 无机混合物是硫酸、硝酸。由三种有机物的沸点知, 最先收集到的馏分是甲苯。

答案: (1) 球形冷凝管温度计

(2) 将10mL浓硫酸注入盛有30mL浓硝酸的烧杯中, 用玻璃棒搅拌至室温

(3) B

(4) (1) 分液6 (2) 中和粗产品中的酸除去NaOH (3) HNO3、H2SO4甲苯

【归纳总结】 (1) 模板答题法。有机物的制备以及分离、提纯实验答题有如下规律:

(1) 提高原料利用率:冷凝回流;控制滴加反应物的速率;控制反应温度。

(2) 加热方式:低于100℃时用热水浴加热。

(3) 分离混合物的方法:分液、蒸馏、结晶等。

(4) 提纯有机产品的流程:水洗→碱液洗 (氢氧化钠、碳酸氢钠溶液) →水洗→干燥→蒸馏。例如:提纯酯类, 加饱和碳酸氢钠溶液除酸;提纯溴苯, 用氢氧化钠溶液或碳酸氢钠溶液洗涤。干燥剂有CaCl2、CaO、MgSO4、P2O5等, 根据产品性质选择合适的干燥剂。 值得注意的是, CaCl2、MgSO4作干燥剂时, 要先过滤, 再蒸馏有机物。 如果蒸馏含干燥剂的混合物, CaCl2·6H2O、MgSO4·7H2O会失去结晶水, 产品纯度降低。

(5) 配制浓硫酸的混合物:浓硫酸与乙醇、浓硝酸与浓硝酸、浓硫酸与甲酸等, 操作方法类似浓硫酸的稀释实验。

(2) 有关有机物的制备以及分离、提纯的易错点主要有以下几点:

(1) 冷凝回流和冷凝馏分。前者使易挥发的反应物和产物回流, 避免损失, 可用直导管、直形冷凝管、球形冷凝管等;后者使分离出来的馏分液化, 只能用直形冷凝管。

(2) 分离混合物的方法:萃取、分液———需要3种玻璃仪器;过滤———需要3种玻璃仪器;蒸馏———需要6 种玻璃仪器。分液操作包括检漏、洗涤、装液、振荡、放气、静置、分离, 下层液体从下口放出, 上层液体从上口倒出。

(3) 洗涤。用水洗去大部分无机可溶物, 用碳酸氢钠或氢氧化钠溶液洗涤少量无机物 (如酸等) , 最后用水洗涤产品以除去少量无机物洗涤液。

(4) 蒸馏。蒸馏之前用干燥剂除去大部分水分, 避免产品中混有较多的水。常考点有温度计的位置、冷凝管的选择、温度的控制以及误差分析。如果水银球位置低于蒸馏烧瓶的支管口, 会收集一些较低沸点的物质, 使测得结果偏高;如果水银球位置高于蒸馏烧瓶的支管口, 可能收集一些沸点较高的副产品, 产品部分损失。

(5) 有机制备实验中, 数据表中物质的溶解性、沸点等信息对答题有提示作用。

博白蕹菜提纯复壮技术 篇4

1 博白蕹菜品种习性

博白蕹菜有3个品种:大叶蕹、细叶蕹、三角叶蕹,其中细叶蕹品质最佳。本文以细叶蕹为研究对象。

博白细叶蕹茎长叶疏,叶尾尖细,鲜绿脆嫩,把茎蔓折断成段,其断口即裂开卷缩,状似喇叭。一般以茎苗繁殖,高温高湿气候是其生长的良好条件。种茎腋芽萌发适温为30~35℃;蔓叶生长适温为25~30℃。高温条件下,蔓叶生长旺盛,采摘间隔时间短。15℃以下蔓叶生长缓慢。喜较高的空气湿度及湿润的土壤,适宜在保水保肥力强,泥肉较深、土质肥沃、灌溉方便的水田种植。环境过干,藤蔓纤维增多,粗老不堪食用,降低产量及品质。喜充足光照,但对密植的适应性也较强。

2 博白蕹菜品种退化原因

通过品种对比观察试验和大田生产多年经验总结表明,博白蕹菜品种退化主要原因:单一品种连作多年,导致种性基因产生变异;多年来的盲目繁殖、就近繁殖,使差苗劣种连年生产繁殖陷入恶性循环,从而导致该品种优势衰退;环境污染造成品质下降。如生活污水、养殖业废水和工业废水的随意排放,以及滥用化肥,使该品种植株纤维素提高,口感差,品质下降,市场卖相不好。

3 博白细叶蕹菜品种提纯复壮关键技术

3.1 建立品种提纯复壮制度

建立严格的种苗繁育和销售制度,杜绝差种劣种流入市场,做到良种出壮苗。

3.2 建立优良母系

选择生长健壮、产量高、品质好、无病虫害的优良植株作种株。通过多年复选,建立其优良母系,并不断提纯复壮,以保持品种纯正种性优良。

3.3 繁制苗圃的选择

选择土层深厚,土壤肥沃,耕层深≥30cm,土壤p H值6~6.4,有机质含量≥4.0%,有灌溉条件的田块作为繁制苗圃。

3.4 开沟作畦,施足基肥

繁殖田以有机肥为主,每667m2施腐熟的猪粪、鸡屎1500kg,硼砂1kg,钼肥0.2kg,硫酸钾复合肥50kg,钙镁磷肥200kg,结合翻地整畦,犁沤7d后,耙碎耙平。开沟作畦,建繁殖圃,沟宽30cm,沟深30cm,畦宽120~150cm。

3.5 适时栽植,合理密植

一般在4月份进行旱地栽植,行株距30cm×30cm,每667m2扦插30~35cm长度的种苗100~120kg。

3.6 加强肥水管理

注意控制肥水,尤其是氮肥,不能多施,要增施磷钾肥,保持土壤湿润,培育健壮苗。生长期要提藤,避免节上生根,及时中耕除草。

3.7 及时除杂去劣

要加强选择,及时清除田间弱苗、病苗和变异株。

3.8 做好病虫害防治

博白蕹菜主要病虫害有白锈病、褐斑病、菜青虫、斜纹夜蛾等。可用1:l:200波尔多液、0.2度石硫合剂或65%代森锰锌500倍液喷雾防治白锈病;用甲霜灵、甲霜铜可湿性粉剂600~700倍液喷雾防治褐斑病。菜青虫、斜纹夜蛾可用20%速灭杀丁8000倍液、2.5%氯氟氰菊酯(功夫)微乳剂800倍液喷雾防治,每7~10d喷1次,连喷2~3次。

3.9 适时采收

博白蕹菜生长迅速,定植至采收约30d,茎叶易老化,要适时采收。当株高长到45cm时,即可分批采收。第一次采收,若出现分株过多,过密,过细,则需要疏剪。在初收期及生长后期,每隔7~10d采收1次,生长盛期5~7d采收1次。采收后应立即去掉黄叶、病虫斑叶,分级装箱作种苗销售。

参考文献

[1]陈家秀.博白蕹菜无公害生产技术[J].广西农学报,2004(02):25-26.

我教《物质的分离与提纯》 篇5

一、导入与目标

经过简短的组织教学后, 我用美丽的大海作为这节课内容的载体, 上课一开始就展示大海的幻灯片, 抓住学生的目光。然后, 引导学生想象自己所了解的来自大海的物质, 展示一些海产品, 进一步吸引学生的注意力。趁机提出, 本节课要学习如何从大海中获取这些物质, 并用多媒体出示本节课认知目标:了解物质的蒸发、过滤、萃取、分液、蒸馏等实验方法的原理与适用范围, 初步学会这些方法与相应的操作技能;能独立完成一些简单的物质分离、提纯的实验操作。

二、实验与探究

实验一:如何从海水中获取日常所需的食盐

学生围绕上述问题进行交流与讨论, 得出结论:蒸发。因为在初中三年级已经学习了关于蒸发的知识, 所以笔者请同学自己选用实验桌上的仪器搭建蒸发装置, 选用仪器有铁架台、铁圈、酒精灯、蒸发皿、玻璃棒等, 并且提问:“蒸发时有哪些注意事项?”学生的回答比较全面, 包括用酒精灯外焰加热, 加热过程中玻璃棒要不断搅拌, 当有大量晶体析出时停止加热, 利用余热把剩余的水分蒸干。

我又问:“如何从混有泥沙的粗盐中提取精盐晶体?”学生回答:“溶解并过滤。”

过滤也是同学们在初中已经学过的, 我请同学选用实验桌上的仪器搭建过滤装置。选用仪器:铁架台、铁圈、烧杯、漏斗、玻璃棒、滤纸等。并请一位同学讲述过滤时的注意事项——一低二靠三贴。

为了引出下一个探究实验, 我用多媒体出示了甲状腺肿大症状的图片。学生看到让人震撼的图片, 马上想知道什么原因造成的。我请一位同学朗读图片下的注释文字, 学生自然就明白了这些疾病是缺碘引起。我不失时机地提出:碘从哪儿来的?

实验二:如何从海产品中获取碘单质

我告诉同学, 碘元素在海产品中较为丰富, 但碘元素并不是以单质形式存在;通过一定的化学方法可以得到碘水即碘单质溶于水形成的溶液。那么, 如何从碘水中把碘单质提取出来呢?学生交流与讨论后回答:把水蒸发掉, 剩下碘单质。我提出反对意见:“碘单质易升华, 在水蒸发的同时碘单质也损失, 所以这种方法不可行。究竟怎么做呢?”我请同学们合作完成一个实验, 或许能从中悟出一些道理。学生合作进行了下列实验, 仔细观察并记录实验现象。

1.在甲、乙两支试管中分别加入约2ml碘水。

2.在甲试管中滴加1mlCCl4, 振荡, 静置。

3.在乙试管中滴加1ml酒精, 振荡, 静置。

实验完成后, 我请同学汇报实验现象:甲试管中加入的C C l4沉在溶液下面, 说明CCl4密度比水大, 而且振荡静置后还是分层, 上层无色, 下层为紫红色;而乙试管中既不分层也不变色。

我请一学生解释这个实验现象:碘水是棕黄色的, 甲试管中上层是无色的, 说明碘单质已经不存在于水中;而下层原来无色现在变成了紫红色, 说明碘单质已经从水中转移到了CCl4中。

然后我强调萃取的定义 (多媒体出示) :利用物质在互不相溶的溶剂中溶解度的不同, 将物质从一种溶剂转移到另一种溶剂中, 从而实现分离的方法就称之为萃取。像CCl4这样能够使碘单质从水中转移出来的试剂称为萃取剂。

通过刚才的实验总结, 我又提问:“同学们知道什么样的试剂才能用作萃取剂?”学生讨论交流后归纳小结萃取剂满足的条件: (1) 与原溶液不混溶不反应, (2) 溶质在萃取剂中的溶解度大于在原溶剂中的溶解度。

我又问:“虽然碘单质已经从水中转移出来, 但是水仍然与其混在一起, 怎么把它们分开呢?”学生纷纷回答:有的说把上层液体倒出来, 有的说用胶头滴管把上层液体吸出来……

我请两位同学上讲台动手操作来试验一下。经动手试验后学生才知道, 上述两种方法都不能很好地实现两种液体的分离, 主要是因为两层液体接触面积太大了, 如果能使接触面积减小就好了。我适时地出示专门用于分开液体的仪器——分液漏斗, 并介绍分液漏斗的使用法则, 然后请同学进行分液操作, 并及时指出一些操作中的失误。

实验三:如何从海水中获取淡水

学生争先恐后地提出:可以把里面的杂质除去, 或者直接获取蒸馏水……

我说:“你知道海水中含有哪些杂质吗?杂质的种类太多了, 所以我们采用后者。”我出示蒸馏实验的装置, 请同学们认识有关仪器:铁架台、酒精灯、石棉网、蒸馏烧瓶、温度计、冷凝管、牛角管、锥形瓶, 并且请大家观察蒸馏实验的装置, 然后思考三个问题 (多媒体出示) :1.蒸馏烧瓶中装的液体加热时容易引起暴沸, 你有什么方法可以避免这种情况?2.注意温度计中水银球的位置, 为什么放在这个位置?3.冷凝管中冷却水的流向怎么样?为什么?

学生积极回答, 如可以加一些沸石来避免液体暴沸;温度计水银球的位置在蒸馏烧瓶的支管口, 因为测的是气体的温度即液体的沸点, 也就是说温度计显示的温度是锥形瓶中液体的沸点;冷凝管中冷却水是逆流而上的, 因为这样能达到最好的冷却效果。

到这里, 这节课的新授内容全部完成了。然后, 我请同学们根据刚才学的内容来一起总结归纳物质分离与提纯的几种方法 (多媒体出示表格) :

请同学们用直线将分离方法和选择分离方法的依据连接起来。

三、巩固与提升

为了巩固本节课的内容, 用所学知识解决相应问题, 下面我们一起来思考这样一个问题 (多媒体出示) :

学生已经能很好地回答完成上述表格中混合物性质内容。

盐丰47水稻品种提纯技术 篇6

一、单株选择

1. 选择原则、时期及数量

在育种家种子繁殖田或纯度较高的种子生产田中选取。选择原则是当选单株典型性应符合盐丰47品种标准。选择时期分三个阶段进行, 齐穗期初选, 成熟期逐株复选, 收获后室内决选。选择单株数量可根据下一年计划的株行数及原种圃面积而定, 一般初选单株数量应比最后决选数量多一倍。

2. 选择方法

根据齐穗时期、株高、株型、叶型、叶色等性状进行初选, 做好标记, 避免在边行或缺株周围选择;根据成熟期、株高、有效穗、整齐度、株型、叶型、穗型、粒型、芒长短、抗病性、抗倒性、熟期转色等进行复选;入选单株连根拔出, 分株捆扎, 挂藏干燥后根据株高、穗长、穗粒数、结实率、粒型、稻米外观品质等性状进行决选。当选单株分别编号、脱粒、干燥、装袋、贮藏。严防株间混杂和鼠、虫、畜禽危害及霉变。

二、株行圃

1. 地块选择

选择隔离条件好、无检疫性病虫草害、土壤肥力中等以上、地力均匀一致、灌排方便、旱涝保收的田块。

2. 株行种植

入选各单株按编号顺序排列, 分区种植, 逢10设一个对照。秧田每个单株各播一个小区, 小区间留间隔;本田每个单株种植一个株行或一个小区, 各小区面积、移栽时间、株行距应保持一致, 单本栽插。

3. 田间管理

种子播前应经药剂处理, 所有单株种子均应同一天完成播种, 各株行小区应同一天栽插, 单本栽插, 并按编号顺序插牌标记。本田肥水、病虫杂草防治等管理措施应一致。

4. 观察记载

秧田期记载播种期、叶姿、叶色、整齐度;本田分蘖期记载叶色、叶姿、分蘖力、整齐度、抗逆性;抽穗期记载始穗期、齐穗期、株型、穗型、叶色、叶姿;成熟期记载成熟期、株高、株型、穗型、穗数、粒型、芒长短、整齐度、抗病性、抗倒性、熟期转色等。

5. 收获及贮藏

收获前对所有株行进行田间综合评价, 对符合盐丰47品种的典型性、株行间性状表现一致的株行进行鉴定确认, 当选株行区确定后, 将对照小区及淘汰株行区先行收割, 并逐一对当选株行区进行复核, 经复核确定当选株行的典型性、丰产性和一致性一致的株行, 混合收割、脱粒、晾晒、入库、贮藏, 悬挂标签, 作为下年原种田繁殖的种子。晾晒贮藏过程中, 严防机械混杂, 注意鼠、虫、畜禽危害及霉变。

三、原种混系繁殖

1. 播种

种子播前进行药剂处理, 浸种、催芽后播种。采用开闭式温室大棚盘育苗, 盘面积28厘米×58厘米, 每盘干种75克, 稀播培育壮秧。

2. 隔离

为避免种子生物学混杂, 保持优良种性和品种纯度, 原种田要求, 空间隔离距离不少于20米, 时间隔离扬花期错开15天以上。

3. 田间种植

选择无检疫性病虫害、排灌方便、肥力中等以上的田块, 原种繁殖田要集中连片。增施有机肥, 合理施用氮、磷、钾肥。加强田间管理, 促进秆壮粒饱。防治病、虫、草害, 防止植株倒伏, 提高单株生产力, 加大繁殖系数。

4. 田间鉴定与收获贮藏

生物沼气的应用与提纯 篇7

沼气是一种可燃的混合气体,主要成分是CH4和CO2,还有少量H2S、O2、H2、CO、N2等。由于发酵方式、发酵原料的种类及相对含量不同,各沼气工程所产生的沼气成分会有所差异[1]。一般来说,垃圾场填埋气中CH4含量较低(35%~65%),O2含量较高。而厌氧发酵生物气中CH4含量较高(60%~70%),而H2S含量也较高(0~4 000 ppm)。

沼气中除CH4以外的杂质气体成分往往会对沼气的利用造成不利影响,必须将其除去。

(1)CO2使沼气的能量密度降低,并且减缓燃烧速度。

(2)H2S的活性较强,会使压缩机、管道、发动机等受到腐蚀,并造成催化剂中毒。

(3)水在导气管道中积累后会溶解H2S、CO2等酸性气体而腐蚀管道。

(4)O2含量过高,当混合气浓度达到甲烷的爆炸极限水平时可能发生爆炸。

与其他燃料相比,沼气抗爆性能较好,是一种很好的清洁燃料。中国是世界上生物燃气市场最大的国家。到2020年,沼气年利用量将达到440亿立方米[2]。

目前,大量的沼气利用还是以低品位的热利用为主,随着沼气产量的不断增加,沼气的中高端利用途径不断扩展。沼气发电、热电联产、作燃料电池、纯化后代用管道天然气和用作汽车燃料,用作生产燃料乙醇等能量利用率更高、能量输出更多的技术亟需得到推广[3]。

1 沼气净化技术

沼气组分复杂,净化难度远大于天然气,因此,利用沼气生产管道燃气、CNG 和LNG,其技术难点在于沼气的净化,即要把沼气净化到符合国标要求的天然气标准。沼气与天然气相比,特殊的杂质是氧,其次是硫化物、二氧化碳,因此,沼气脱硫、脱氧和脱二氧化碳技术是沼气净化的核心技术[4]。

1.1 沼气脱硫

沼气中的硫主要以H2S形式存在,所含有机硫较少。脱除硫化氢的方法很多,一般可分为干法脱硫、湿法脱硫和生物法脱硫。

干法脱硫[5]通常用于低含硫气体处理,特别是用于气体精细脱硫。大部分干法脱硫工艺由于需要更换脱硫剂而不能连续操作,还有一些干法如锰矿法、氧化锌法、氧化铁法等,脱硫剂不能再生或再生次数很少,脱硫饱和后要废弃,这样一方面会造成环境问题,另一方面会增加脱硫成本。

湿法脱硫[6]是利用特定的溶剂与气体逆流接触而脱除其中的H2S,溶剂通过再生后重新进行吸收,根据吸收机理的不同,又分为化学吸收法、物理吸收法、物理化学吸收法以及湿式氧化法。湿式氧化法脱硫效率高、单质硫可回收、流程较简单、大多数脱硫剂可以再生、运行成本低等,同时该法流程复杂、投资大,适合于气体处理量大、H2S含量高的场合。

生物脱硫系统以各种微生物的容纳力为基础,利用微生物的生命活动将有机污染物转化为对人体健康和生态环境无害的化合物。生物法常用于污水处理工程中产生的硫化物[7]。生物脱硫技术包括生物过滤法、生物吸附法和生物滴滤法,三种系统均属开放系统,其微生物种群随环境改变而变化。在生物脱硫过程中,氧化态的含硫污染物必须先经生物还原作用生成硫化物或H2S,然后再经生物氧化过程生成单质硫,才能去除。

生物净化工艺与上述传统工艺相比具有运行成本低、反应条件温和、能耗少和有效减少环境污染等优点,但脱硫微生物都是需氧型的,氧气或空气的加入可能会导致沼气中氧含量上升影响沼气的安全性,因此采用生物脱硫时要时刻监控反应器中的氧含量。

1.2 沼气除氧

沼气生产中不可避免地会混入空气,特别是垃圾沼气。氧的脱除是沼气加工的必经步骤,沼气中的氧必须脱至一定范围内,才能确保整个工艺过程的安全性。若由生物沼气生产CNG或天然气,根据GB17820-1999《天然气》与GB18047-2000《车用压缩天然气》,则需将其中所含氧气含量降至0.5%以下。

目前,国内外学者对气体脱氧的研究已经较为成熟,很多脱氧剂都已成功的应用于工业方面的生产并产生了巨大的经济效益,但是很少有人对沼气脱氧进行过系统的研究。由于沼气中的硫会使催化剂中毒,同时甲烷和二氧化碳的含量较高,因此沼气脱氧的研究是一项具有挑战性的工作。

目前普遍使用的气体净化脱氧剂主要有催化脱氧、化学吸收脱氧以及碳燃烧脱氧3种方式[8]。

催化脱氧是在催化剂的作用下使气体中的O2与H2、CO等还原性组分反应脱除。主要有催化加氢脱氧[9],即在有H2条件下,使气体中O2与H2在催化剂作用下反应生成水而除去[10,11]。另外还有CO催化脱氧,在不含氢但富含CO的体系里比较适用,即使气体中O2与CO在催化剂作用下反应生成CO2而除去。

化学吸收脱氧一般在没有还原性气体存在条件下,气体中O2与脱氧剂发生化学反应将O2吸收脱除。这类脱氧剂一般为过渡金属型,O2与金属单质反应生成氧化物或O2与低价金属氧化物反应生成高价金属氧化物。

而碳燃烧脱氧是利用活性炭与氧的反应脱氧,通常对于惰性气体脱氧比较有效,对沼气脱氧并不适用。甲烷催化燃烧脱氧是过量甲烷与少量或微量氧在催化剂作用下发生氧化反应,温度为200℃~300℃,为无焰燃烧。国内外已经成功研制了多种甲烷燃烧催化剂可供选,利用沼气中主要组分甲烷与氧气在催化剂作用下反应,是较为经济有效的脱氧方法。

1.3 沼气干燥

未经处理的沼气通常含有饱和水蒸汽。而它的除水相对来说比较简单,一般有冷凝法、液体溶剂吸收法、吸附干燥法等。

冷凝法又分为节流膨胀冷却脱水法和加压后冷却法。节流膨胀冷却脱水法虽然简单经济,但脱水效果较差,只能将露点降低至0.5℃。若需要进一步降低露点则需要增压,多数时候两种方法同时使用。

液体溶剂吸收法则是沼气经过吸水性极强的溶液,水分得以分离的过程。属于这类方法的脱水剂有氯化钙、氯化锂及甘醇类(三甘醇、二甘醇等)。

吸附干燥法是指气体通过固体吸附剂时,在固体表面力作用下产生的,吸收其水分,达到干燥的目的。能用于沼气脱水的有分子筛、活性氧化铝、硅胶以及复合式干燥剂。与溶液脱水比较,固体吸附脱水性能远远超过前者,能获得露点极低的燃气;对温度、压力、流量变化不敏感;设备简单,便于操作;较少出现腐蚀及起泡等现象。

在沼气脱水的工程中一般会将冷凝法与吸附干燥法结合来用,先用冷凝法将水部分脱除,在用吸附法进行精脱水。

1.4 沼气脱碳

由于沼气中甲烷含量较低,其高位发热值只有23.9 MJ/m3(甲烷含量60%计),而纯甲烷高位发热值为39.78 MJ/m3。作为车用燃料或者管道天然气燃料其高位发热值要求大于31.4 MJ/m3,则要求沼气中甲烷浓度至少提高到88%以上,即要脱除多余CO2。

沼气脱碳技术多源于天然气、合成氨变换气脱碳技术,包括物理溶液吸收法、化学吸收法、变压吸附法、膜分离法、低温深冷法等。

物理溶液吸收法是在加压下用溶剂对CO2进行吸收来分离、脱除CO2,并不发生化学反应,溶剂的再生通过降压来实现。主要的有水洗法,其他溶剂还有丙烯酸酯、甲醇、乙醇、N-甲基-2-D吡咯烷酮等。物理溶液吸收法的优点是在低温高压下进行,吸收能力大,吸收剂溶剂少,吸收剂再生不需加热,因而能耗低。由于CO2在吸收剂中的溶解服从亨利定律,因此物理吸收法比较适合于原料气中CO2含量较高的条件[12]。

化学吸收法是使原料沼气和化学溶剂在吸收塔内发生化学反应,二氧化碳被吸收到溶剂中成为富液,富液进入脱析塔加热分解出二氧化碳从而达到分离回收二氧化碳的目的。所选化学溶剂一般是K2CO3水溶液等碱液或乙醇胺类的水溶液。化学吸收法的关键是控制好吸收塔和解析塔的温度和压力。近年来MEA、MDEA等有机胺类作吸收剂发展迅速。

变压吸附法(PSA法)沼气提纯是利用脱碳吸附剂将沼气中的CH4、CO2以及N2等气体进行分离,从而达到提纯CH4的目的。变压吸附分离CO2/CH4技术采用的吸附剂通常为活性炭、硅胶、氧化铝、天然沸石、分子筛等常规吸附剂或在吸附剂上附载不同贵金属的专用吸附剂,或者是开发不同孔径、不同微孔容积的专用吸附剂。变压吸附法具有产品纯度高、能耗低、工艺流程简单、自动化程度高等优点。

气体膜分离是借助气体各组分在膜中渗透速率的不同而实现的,渗透推动力是膜两侧的分压差。膜材料主要是某些聚合材料如醋酸纤维、聚酰亚胺等制作。当膜两边存在压差时,渗透率高的气体组分以很高的速率透过薄膜,形成渗透气流,渗透率低的气体则绝大部分在薄膜进气侧形成残留气流、两股气流分别引出从而达到分离的目的。

低温深冷法,在5.2 bar压力下,降温到216.55 K以下时将CO2液化分离出来。由于能耗较高,一般较少使用。

物理溶液吸收法中的水洗法通常为了提高CO2在水中的溶解度,工艺一般采用高压,吸收过程需要大量纯水且产生的废水需要大量回收,之后还要增加脱水干燥设备。导致整个工艺比较复杂。化学吸收法尽管吸收CO2能力较强,CH4的回收率也较高,但通常加入的药剂或者溶剂对设备均有一定腐蚀性,且废水、废液较为严重。膜分离法中膜的生产较为复杂成本较高,且膜对其他杂质气体及工艺条件较为敏感,稍有不慎,会导致经常更换膜,导致运行成本较高。深冷法能耗过高。PSA法工艺简单、自动化程度高、对设备无腐蚀,几乎无“三废”产生,不会造成环境污染。常温操作,能耗低,操作弹性大。PSA法与其他方法相比具有较明显优势。具体参数比较见表1。

注:①“√”表示可以脱除;②“×”表示不能脱除;③“部分”表示可以部分脱除;④“可脱氮”表示可以脱除其中的氮气。“*”表示该数据为国外技术参数,国内暂时无法到达。

沼气纯化最常用的技术是变压吸附工艺和水洗工艺[13,14,15]。根据欧洲各国2008年的沼气生产资料,采用变压吸附工艺的沼气处理厂占33%,采用水洗工艺的占32%,采用有机溶剂化学吸收和物理吸收的分别占9%和7%,采用膜分离的占4%,低温分离的占1%。而从纯化沼气的处理能力上看,水洗处理最强,其次变压吸附。

2 结束语

尽管目前国内脱硫、脱水、脱氧等技术已经比较成熟,但沼气脱碳技术发展时间较短,与欧美国家相比技术有较大差距,为了更好利用沼气、倡导节能减排,结合国外先进技术,可在以下方面进行改进。

(1)开发专用高效的沼气脱碳吸附剂。

由于CO2与CH4分子直径相近,国内还没有专门针对分离CO2与CH4的吸附剂,只是套用或部分改进了现有脱碳吸附剂。使得分离系数较小,CH4回收率较低。

(2)开发可移动、撬装式装置。

由于PSA法工艺简单、自动化程度较高,若能将吸附部分开发为可移动、撬装式设备,将大大减少现场工作量、减少占地面积。

(3)增加装置的操作弹性。

由于受厌氧发酵技术本身的限制,沼气产气量波动较大,装置为了适应实际需求必须具有较大工作弹性。

(4)尽快制定相关政策法规。