次氯酸鈉溶液清凈乙炔氣的實驗研究

尚國隆 ，張 偉 ，鐘潔水 ，楊 霞

（1.青島科技大學計算機與化工研究所，山東 青島 266042；2.甘肅銀光聚銀化工有限公司PVC廠，甘肅 白銀 730900；3.青島銀科恒遠化工過程信息技術有限公司，山東 青島 266042）

電石法制聚氯乙烯中乙炔氣是合成氯乙烯單體的原料之一，因電石含有硫磷等雜質，所生成的粗乙炔氣中不可避免的含有H2S、PH3等雜質氣體。這些雜質一方面使氯乙烯合成工藝中的觸媒失效，造成成本浪費，降低氯乙烯產量，另一方面由于磷化氫（特別是P2H4）的自燃點較低，與空氣接觸易燃燒，威脅安全生產[1]。因此，乙炔氣的清凈是工業(yè)生產中必不可少的工序。

目前，國內主要采用濃硫酸法和次氯酸鈉法達到乙炔清凈的目的。由于濃硫酸法存在成本高，溫度不易控制，廢酸不易處理等一系列問題[2，3]，因此國內多數廠家主要利用次氯酸鈉（以下簡稱次鈉）溶液的氧化性進行乙炔氣的清凈。次鈉溶液的氧化性由溶液中含有的次氯酸根（ClO－）電離平衡生成的次氯酸（HClO）提供，主要受溶液pH值和有效氯含量的影響。pH值不同，溶液的氧化性產生差異[4]，當pH值小于6時，次鈉溶液中HClO的含量增多，此時溶液的氧化能力增強[5]。隨著pH值的升高，溶液中OH－的含量增加，不利于HClO的形成，而且NaClO的氧化電位也降低，此時溶液的氧化能力減弱[6，7]。另外，溶液的有效氯含量也是衡量次氯酸鈉氧化性能的另一指標[8]。有效氯含量越高，磷、硫等雜質去除的越徹底；但有效氯含量過高，氧化能力過強，反應過于激烈，副反應多，容易生成氯乙炔[9]，影響乙炔純度的同時，對生產操作安全也有一定影響。

但目前對不同有效氯含量及pH值的次鈉溶液對乙炔氣清凈效果的研究很少，文獻鮮有報導。工廠在生產中多采用經驗值，一般采用有效氯含量為0.08%～0.10%，0.08%～0.12%，0.085%～0.12%，pH值為 6.5～7.5，6.5～8 或 7～8 的次氯酸鈉溶液進行清凈[10－16]。因此，本文建立了用次鈉溶液清凈乙炔氣中硫化氫和磷化氫的實驗裝置，基于次氯酸鈉的氧化性和穩(wěn)定性，從次鈉溶液有效氯濃度和pH值兩方面進行研究，探索其對乙炔氣中硫、磷去除效果的影響，為工業(yè)生產的應用和工藝優(yōu)化提供數據和理論支持。

1 實驗

1.1 實驗裝置與流程

首先在燒瓶內加入電石和水制取粗乙炔氣，并經冷卻后收集儲存在聚乙烯氣袋中。

其次，將氣袋中的粗乙炔氣通入扎氏吸收瓶，用盛有不同有效氯濃度和pH值的次鈉溶液清凈乙炔氣，然后通入錐形瓶，分別利用溴水、乙酸鎘吸收乙炔氣中未清凈的PH3、H2S雜質氣體，實驗儀器及裝置見圖1。由于實驗中存在著清凈氣的收集等一系列問題，因此用化學法[17]檢測乙炔氣中的硫、磷含量時分開進行。同時考慮到清凈液以及吸收液用量問題，檢測PH3含量時以針筒代替H2S實驗裝置中的乙炔氣袋和測體積設備，并以裝有溴水的扎氏吸收瓶代替圖1中的兩個錐形瓶進行未清凈的PH3的吸收。

1.2 分析及計算方法

1.2.1 分析方法

圖1 硫化氫磷化氫吸收裝置

實驗過程需要取樣分別以反滴法、比色法測定清凈前后硫化氫、磷化氫含量[18]。檢測清凈前后H2S含量時，將吸收了H2S氣體的乙酸鎘溶液以及錐形瓶洗滌液一起并入碘量瓶，在酸性條件下，經碘液在暗處反應10 min后，用硫代硫酸鈉標準溶液進行滴定，以公式（2）計算出硫化氫含量。檢測清凈前PH3含量時，將吸收了PH3的溴水以上述同樣的方式轉入碘量瓶，經氯化亞錫－鉬酸鹽法反應后，用比色法進行檢測，并以公式（1）計算出磷化氫含量。測硫化氫瞬時吸收率時，以氣質聯用儀檢測。采用的分析儀器（見表1）。

本文實驗分析所用的試劑：亞硫酸鈉溶液（100 g/L）；溴水（wt0.3%）；氯化亞錫－鹽酸溶液（20 g/L）；鉬酸銨－硫酸溶液（15 g/L）；磷酸二氫鉀標準溶液（0.2866 g/L）；鹽酸溶液（1∶1）；乙酸鎘溶液（27 g/L）；碘標準溶液（0.02 mol/L）；硫代硫酸鈉標準滴定溶液（0.02 mol/L）。

表1 主要實驗儀器

考慮到碘液的揮發(fā)性，在測硫化氫濃度前應先做空白實驗進行校正，保證實驗的準確性，以減少誤差。

1.2.2 計算方法

1.2.2.1 磷化氫含量的計算磷化氫的含量由公式（1）計算得出：

式中：V1—相當于磷酸二氫鉀標準溶液的體積，mL；V—應換算為101.3 kPa，20℃下的試樣的體積，mL；0.05—1 mL磷酸二氫鉀標準溶液相當于磷化氫的體積，mL（101.3 kPa、20 ℃）。

1.2.2.2 硫化氫含量的計算硫化氫的含量由公式（2）計算得出：

式中：N—空白實驗對應的碘的物質的量，mol；V2—消耗硫代硫酸鈉標準溶液的體積，mL；N2—硫代硫酸鈉標準溶液的濃度，mol/L；0.01188—在101.3 kPa、20℃時，1 mL碘標準滴定溶液相當的硫化氫體積數，L；V—應換算為 101.3 kPa，20℃下的試樣的體積，L。

1.2.2.3 有效氯含量的計算

次鈉有效氯含量由公式（3）計算得出：

式中：c—硫代硫酸鈉標準滴定溶液的實際濃度，mol/L；V—硫代硫酸鈉標準溶液的用量，mL；M—試樣的質量，g；0.03545—每毫摩爾 Cl的克數，g/mmol。

1.2.2.4 去除率

硫化氫或磷化氫的去除率由公式（4）計算得出：

式中：X—H2S或 PH3去除率，%；C0—H2S或 PH3初始濃度，10－6；C1—清凈后或某一時間點 H2S 或 PH3濃度，10－6。

1.3 實驗內容

本文分別以PH3、H2S的平均去除率和瞬時去除率為研究對象，考查次鈉溶液有效氯濃度和pH值對它們的影響。實驗中所用的次鈉溶液有效氯濃度和pH值的取值見表2。

表2 次鈉溶液有效氯濃度和pH值取值

2 實驗結果與討論

由于次氯酸鈉穩(wěn)定性較差，在15℃時，次氯酸鈉水溶液一般較穩(wěn)定，溫度越高越易分解[19－20]，本實驗環(huán)境溫度均在12～15℃，本文以下所稱室溫均指該溫度。

2.1 次氯酸鈉有效氯濃度的影響

在室溫下，以200 mL/min的氣速考察次鈉溶液有效氯濃度對磷、硫平均去除效果的影響，實驗結果見圖2。此時次鈉溶液pH值均在7.5左右，磷化氫初始濃度為 391×10－6，硫化氫初始濃度為 110×10－6。

圖2 次鈉溶液有效氯濃度對硫、磷去除效果的影響

結果表明，乙炔氣的清凈效果整體隨著次鈉溶液有效氯濃度的增加而升高。有效氯濃度在0.06%以上時，磷化氫的去除率比較穩(wěn)定，達到90%，而硫化氫的去除率隨著有效氯濃度的增加不斷升高，達到72%以上。這是因為次鈉溶液的氧化性與有效氯濃度有一定關系，在常溫下，0～1%范圍內，次氯酸鈉的氧化還原電位（ORP）隨著有效氯含量的增加而升高，即有效氯含量越高，次氯酸鈉溶液的氧化性越強。但是從安全生產的角度出發(fā)，不應使次氯酸鈉的有效氯含量過高。綜合考慮次氯酸鈉的清凈效果和安全兩個方面，選擇有效氯濃度在0.085%～0.12%范圍內的次鈉溶液最佳，此時磷化氫的平均去除率在90%以上，硫化氫的平均去除率去除率達到80%以上。

2.2 次氯酸鈉對pH值的影響

次氯酸鈉的氧化性主要受pH值控制。室溫下，以200 mL/min氣速通過清凈裝置，考察次鈉溶液不同的pH值對磷、硫平均去除效果的影響。其中，乙炔氣中磷、硫初始濃度分別為 351×10－6、56×10－6，當次鈉溶液有效氯濃度在0.08%～0.12%時，對PH3的影響較小，因此本實驗對PH3、H2S的清凈，所用次鈉溶液有效氯濃度分別為0.09%、0.12%，結果見圖3。

實驗結果表明：當次鈉溶液pH值在6～10的范圍內變化時，PH3與H2S的去除率整體上隨著次鈉溶液pH的升高而降低。其中，pH值對H2S的影響較大，對PH3的影響較平緩。這是因為隨著pH值的升高，次鈉溶液的氧化性逐漸減弱，不利于硫、磷的去除。但是，當溶液pH值過低時，由于溶液中存在著下列平衡：

圖3 次鈉溶液pH值對硫、磷去除效果的影響

pH值過低，會使Cl2增多，易從溶液中溢出，溶液有效氯濃度降低的同時，使乙炔氣中混入氯氣，從而增加副反應的發(fā)生[21]。

因此應選擇合適的pH值以達到乙炔清凈的目的，實驗表明當pH值在7～8.5時，硫、磷去除率較好，均在85%以上。

2.3 不同有效氯濃度下的瞬時吸收率

從以上實驗可以看出pH值和有效氯濃度對硫化氫的影響較大，對磷化氫的影響并不是特別顯著，同時考慮到PH3毒性的影響，因此瞬時吸收實驗主要以H2S為研究對象，考察次鈉溶液有效氯濃度對硫化氫去除率的影響。實驗在次鈉溶液pH值為8，氣速為80 mL/min，有效氯濃度分別為0.03%、0.062%、0.088%、0.094%以及0.107%五個水平下進行。結果見圖4。

從圖4可以看出，不同有效氯濃度條件下，實驗一開始的硫化氫吸收率均較高，隨著反應時間的延長，硫化氫消耗大量的次氯酸鈉，導致次鈉溶液有效氯濃度降低，吸收效率不斷下降，最終以降低到初始值為實驗結束。同時，在實驗進行的前10 min，雖然次鈉溶液的有效氯濃度不斷降低，但是清凈效果呈上升趨勢，均在93%以上。這是因為隨著反應的進行，H2S與次氯酸鈉生成更多的硫酸，導致溶液pH降低，低pH值使得次氯酸鈉溶液氧化性增強，硫化氫清凈效果提高；并且次鈉溶液初始有效氯濃度越高，相應處理的H2S氣體越多，反映在圖4上，即相同量的H2S氣體進氣量，初始有效氯濃度越

圖4 次鈉溶液有效氯濃度對H2S瞬時去除率的影響

圖5 理論計算H2S進氣量對初始有效氯濃度為0.094%的次鈉溶液有效氯濃度的影響

圖5為初始有效氯濃度為0.094%的次鈉溶液，隨著80 mL/min的H2S氣體通入，根據理論計算得出的相對應的次鈉溶液有效氯濃度的變化。取樣檢測11 min時的有效氯濃度及pH值，此時溶液有效氯濃度在0.028%左右，pH值為4.5，H2S去除率約為99%；理論計算的有效氯濃度為0.037%，兩者誤差30%左右，可以滿足工業(yè)應用。

3 結論

本文從平均吸收率和瞬時吸收率兩個方面出發(fā)，研究次鈉溶液有效氯濃度和pH值對乙炔氣中硫、磷含量清凈效果的影響，在本實驗條件下，得出以下結論。

（1）次鈉溶液的有效氯濃度及pH值，對乙炔氣中硫、磷的清凈效果具有直接影響，并對硫化氫的影響更為顯著；

（2）氣速為200 mL/min，pH值為7.5的條件下，有效氯濃度0.085%～0.12%時，硫化氫去除率在80%以上，磷化氫去除率穩(wěn)定在90%左右。

有效氯濃度低于0.06%時，磷、硫去除率均在72%以下；

（3）氣速為200 mL/min，有效氯濃度為0.12%的條件下時，pH值在7.0～9.5時，硫、磷的平均去除率均在85%以上；

（4）硫化氫清凈初期，次鈉溶液的pH值起主要作用，次鈉氧化去除H2S反應速度較快，10 min即可使H2S的去除率達到93%以上；

本實驗所用的主要吸收儀器為扎氏吸收瓶，相當于一個平衡級，現工業(yè)上乙炔清凈廣泛采用的是雙塔流程，可將以上結果對該流程進行模擬與優(yōu)化。