CN101830443B - 一种对碘硫循环中硫酸相和氢碘酸相进行纯化的工艺 - Google Patents
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Abstract
一种对碘硫循环中硫酸相和氢碘酸相进行纯化的工艺，属于碘硫热化学循环制氢相关技术领域。碘硫循环中本森反应得到的硫酸相和氢碘酸相分别含有少量HI和少量H2SO4，传统纯化工艺是氮气作吹扫气，加热促使本森反应的逆反应：2HI+H2SO4＝SO2+I2+2H2O发生，来除去杂质酸。传统纯化工艺会消耗主体酸，且常伴有副反应发生。为克服上述缺点，本发明提供了以氧气与惰性气的混合气为活性吹扫气的两相纯化工艺，对于硫酸相纯化，反应原理为：4HI+O2＝2I2+2H2O，硫酸不损耗，反应温度较低；对于氢碘酸相纯化，活性吹扫气可抑制S和H2S的生成，促使H2SO4转化为SO2的选择性增加。
Description
技术领域
本发明涉及一种对碘硫循环中硫酸相和氢碘酸相进行纯化的工艺，属于碘硫热化学循环制氢相关技术领域。
背景技术
氢能被认为是最理想的二次能源，也被称作人类的未来能源。然而传统的制氢方法和技术由于存在CO2排放、效率低等缺点而制约了氢能的开发。因此研究清洁、高效、可持续的制氢方法越来越成为人们关注的焦点。在众多热化学循环制氢方法中，美国GA公司提出的碘硫(IS)循环被美、日、法等许多国家选为未来核能制氢的首选流程。该过程由3个反应组成：
(1)Bunsen反应(放热，～120℃)：SO2+I2+2H2O＝2HI+H2SO4
(2)硫酸分解(吸热，800-900℃)：H2SO4＝H2O+SO2+1/2O2
(3)碘化氢分解(吸热，300-500℃)：2HI＝H2+I2
上述三个反应在高温热驱动下，发生耦合，组成一个闭路循环，净反应为水分解：H2O＝H2+1/2O2。该循环具有产氢效率高、反应物以气液态存在易输送、易闭合循环、无CO2排放等优点，因此有望成为清洁、经济、可持续的大规模制氢方法。遗憾的是，IS循环的原理虽然非常简单，但要真正实现其闭合循环运行和规模化连续产氢，却有许多科学与技术相关问题需要解决。其中本森(Bunsen)反应产物硫酸相和氢碘酸的纯化就是需要解决的一个问题。在碘浓度较高的反应条件下，本森反应生成的两种酸可自发地分成两液相，即轻液相硫酸相和重液相氢碘酸相。由于分配平衡的存在，两相中难免含有少量杂质，即硫酸相中含有少量HI和氢碘酸中含有少量H2SO4，杂质的存在在一定条件下可以引发下列副反应：
(4)S生成反应：H2SO4+6HI＝S+3I2+4H2O
(5)H2S生成反应：H2SO4+8HI＝H2S+4I2+4H2O
副反应的发生不但会影响物料平衡，降低碘硫循环的整体效率，而且，固态硫的生成还有可能造成管道堵塞，妨碍物料的输送，影响闭合循环的正常运行。
为了消除副反应生成的硫化氢和硫，日本专利JP2008-137824A(热化学制氢装置及方法，公开日2008年6月19日)提供了一种热化学制氢装置和方法，该专利采用纯氧气作为吹扫气体通过氧化反应：H2SO4+H2S+O2＝2SO2+2H2O及S+O2＝SO2来消除硫酸相和氢碘酸相中副反应生成的硫化氢和硫。但是，该专利并没有明确给出去除硫酸相中少量氢碘酸和氢碘酸相中少量硫酸的原理，以及如何抑制副反应的发生，并且，以高活性的纯氧作为吹扫气体，可能造成对氢碘酸的深度氧化，从而影响纯化反应的进行。
为了抑制副反应的发生，避免硫和硫化氢的生成，需要分别去除硫酸相中少量的氢碘酸和氢碘酸相中少量的硫酸，得到较纯的硫酸和氢碘酸溶液，目前国际上通用的IS循环过程中硫酸相和氢碘酸相的纯化方法是利用本森反应的逆反应：(6)2HI+H2SO4＝SO2+I2+2H2O来实现两相纯化。
日本(参考文献：[1]Kubo S，Nakajima H，Kasahara S，Higashi S，Masaki T，Abe H，Onuki K.A demonstration study on a closed-cycle hydrogen production by the thermochemicalwater-splitting iodine-sulfur process.Nucl.Eng.Des.，2004，233：347-354)、韩国(参考文献[2]Ki-Kwang Bae，Chu-Sik Park，Chang-Hee Kim，Kyung-Soo Kang，Sang-Ho Lee，Gab-Jin Hwang，Ho-Sang Choi.Hydrogen production by thermochemical water-splitting IS process.WHEC16/13～16June 2006-Lyon France)、中国(参考文献[3]Guo H F，Zhang P，Bai Y，Wang L J，Chen S Z，Xu J M，Continuous purification of H2SO4 and HI phases by packed column in ISprocess，Int.J.Hydrogen Energy.2009，doi：10.1016/j.ijhydene.2009.05.009.)等国的碘硫循环研究中，两相的纯化工艺基本相同，都采用氮气作吹扫气，加热条件下促使本森反应的逆反应发生，来分别除去硫酸相中少量的氢碘酸和氢碘酸相中的少量硫酸。采用该工艺纯化两相存在如下缺点，一方面要消耗主体酸，评价纯化工艺不但要看杂质的去除率，也要看主体酸的收率。对于硫酸相纯化来说，虽然可以通过本森反应的逆反应来实现HI的去除，但同时消耗相当于HI物质量一半的硫酸；另一方面常伴有其它副反应发生，如硫或硫化氢生成副反应的发生，将难以使氢碘酸相中的硫酸完全被转化为二氧化硫而被循环利用。
发明内容
为了去除硫酸相中少量的氢碘酸和氢碘酸相中少量的硫酸，解决碘硫循环中硫酸相和氢碘酸相的纯化问题，克服单纯氮气作为吹扫气体存在副反应和纯化硫酸相存在的主体酸消耗等缺点，本发明提供了一种对碘硫循环中硫酸相和氢碘酸相进行纯化的新工艺。
本发明的具体技术方案如下：
一种对碘硫循环中硫酸相进行纯化的工艺，其特征在于，该工艺的步骤如下：
1)首先将纯化塔加热升温至80～200℃，通过液体流量控制泵将已知组分的硫酸相从纯化塔上部进料口输入，同时将活性吹扫气体从纯化塔下部进气口通入，所述的活性吹扫气体采用氧气与惰性气体的混合气体；
2)硫酸相在活性吹扫气体吹扫的情况下流经控温的纯化塔，硫酸相中的少量氢碘酸与活性吹扫气体中的氧气发生生成碘的氧化反应：4HI+O2＝2I2+2H2O，达到纯化硫酸相的目的；
3)纯化液从纯化塔下端的液体出料口流出，纯化反应后的气体从纯化塔上端排气口排出；所述的活性吹扫气体中氧气的摩尔流量与硫酸相中杂质酸HI的摩尔流量比至少为1∶4。
所述的氧气与惰性气体的混合气体是指氧气与氮气、氦气和氩气中的一种或几种形成的混合气体。
采用氧气与惰性气体的混合气体作为活性吹扫气来纯化硫酸相，纯化的原理是氧与氢碘酸之间的氧化反应：4HI+O2＝2I2+2H2O，这不同于目前文献公开报道的本森反应的逆反应原理：2HI+H2SO4＝SO2+I2+2H2O。
本发明还提供了一种对碘硫循环中氢碘酸相进行纯化的工艺，其特征在于，该工艺的步骤如下：
1)首先将纯化塔加热升温至90～150℃，通过液体流量控制泵将已知组分的氢碘酸相从纯化塔上部进料口输入，同时将活性吹扫气体从纯化塔下部进气口通入，所述的活性吹扫气体采用氧气与惰性气体的混合气体；
2)氢碘酸相在活性吹扫气体吹扫的情况下流经控温的纯化塔，氢碘酸中相的少量硫酸与部分氢碘酸发生本森反应的逆反应：H2SO4+2HI＝SO2+I2+2H2O，达到纯化氢碘酸相的目的；
3)纯化液从纯化塔下端的液体出料口流出，纯化反应后的气体从纯化塔上端排气口排出；所述的活性吹扫气体中氧的摩尔流量与氢碘酸相中杂质酸H2SO4的摩尔流量比大于0∶1且小于2∶1。
所述的氧气与惰性气体的混合气体是指氧气与氮气、氦气和氩气中的一种或几种形成的混合气体。
本发明的上述工艺中，采用氧气与惰性气体的混合气体作为活性吹扫气来纯化氢碘酸相，虽然纯化的原理仍是本森反应的逆反应：2HI+H2SO4＝SO2+I2+2H2O，但是活性吹扫气体可以抑制S和H2S的生成，从而促使H2SO4转化为SO2的选择性增加，有效地将氢碘酸相中的少量硫酸转化为可继续参与碘硫循环的SO2。
本发明与现有技术相比，具有以下优点及突出性技术效果：采用本发明工艺，对于硫酸相纯化，反应原理为：4HI+O2＝2I2+2H2O，硫酸不损耗，并且可以在较低的温度下实现硫酸相的纯化；对于氢碘酸相纯化，活性吹扫气体可以抑制S和H2S的生成，从而促使H2SO4转化为SO2的选择性增加。
附图说明
图1为硫酸相和氢碘酸相纯化工艺装置示意图。
图中：1-原料液储罐；2-液体流量调节泵；3-纯化塔；4-纯化塔排气口截止阀；5-温度控制仪；6-纯化塔排液口截止阀；7-纯化液储罐；8-活性吹扫气高压气瓶；9-气体流量仪。
具体实施方式
下面结合附图和实施例来详细说明本发明。
图1为硫酸相和氢碘酸相纯化工艺装置示意图，该装置包括原料液储罐1、液体流量调节泵2、纯化塔3、纯化塔排气口截止阀4、温度控制仪5、纯化塔排液口截止阀6、纯化液储罐7、活性吹扫气高压气瓶8和气体流量仪9。原料液储罐1通过装有液体流量调节泵2的管道与纯化塔3上部进料口连接，在纯化塔3的上端装有纯化塔排气口截止阀4，活性吹扫气高压气瓶8通过安装有气体流量仪9的管道与纯化塔3的下部连接；在纯化塔3的下端装有纯化塔排液口截止阀6，该截止阀与纯化液储罐7相连。
采用上述装置对碘硫循环中硫酸相进行纯化的工艺的步骤如下：
首先将纯化塔3加热升温至80～200℃，并利用温度控制仪5控制纯化塔的温度，通过液体流量控制泵2将原料液储罐1内的已知组分的硫酸相从纯化塔上部进料口输入，同时将活性吹扫气高压气瓶8内的活性吹扫气体从纯化塔下部进气口通入，通过气体流量仪9控制活性吹扫气体的流量，活性吹扫气体为氧气与惰性气体的混合气体，氧气与惰性气体的混合气体采用氧气与氮气、氦气和氩气中的一种或几种形成的混合气体。活性吹扫气体中氧的摩尔流量与硫酸相中杂质酸HI的摩尔流量比应至少为1∶4。硫酸相在活性吹扫气体吹扫的情况下流经控温的纯化塔，即被纯化，纯化液从纯化塔下端的液体出料口流入纯化液储罐7中，纯化反应后的气体从纯化塔上端排气口排出。
本工艺中，采用氧气与惰性气体的混合气体作为活性吹扫气来纯化硫酸相，纯化的原理是氧与氢碘酸之间的氧化反应：4HI+O2＝2I2+2H2O，
这不同于目前文献公开报道的本森反应的逆反应原理：2HI+H2SO4＝SO2+I2+2H2O。
采用上述装置对碘硫循环中氢碘酸相进行纯化工艺的步骤如下：
首先将纯化塔3加热升温至90～150℃，并利用温度控制仪5控制纯化塔的温度；通过液体流量控制泵2将原料液储罐1内已知组分的氢碘酸相从纯化塔上部进料口输入，同时将活性吹扫气高压气瓶8内的活性吹扫气体从纯化塔下部进气口通入，并通过气体流量仪9控制活性吹扫气体的流量，氢碘酸相在活性吹扫气体吹扫的情况下流经控温的纯化塔，即被纯化，纯化液从纯化塔下端的液体出料口流入纯化液储罐7中，纯化反应后的气体从纯化塔上端排气口排出。所述的活性吹扫气体为氧气与惰性气体的混合气体，氧气与惰性气体的混合气体采用氧气与氮气、氦气和氩气中的一种或几种形成的混合气体。所述的活性吹扫气体中氧的摩尔流量与氢碘酸相中杂质酸H2SO4的摩尔流量比应大于0∶1且小于2∶1。
对于纯化氢碘酸相工艺，采用氧气与惰性气体的混合气体作为活性吹扫气来纯化氢碘酸，虽然纯化的原理仍是本森反应的逆反应：2HI+H2SO4＝SO2+I2+2H2O，但是活性吹扫气体可以抑制S和H2S的生成，从而促使H2SO4转化为SO2的选择性增加，有效地将氢碘酸相中的少量硫酸转化为可继续参与碘硫循环的SO2。
下面通过几个具体的实施例对本发明做具体的说明。
实施例1-5为按照本发明采用氧气与惰性气体的混合气体作为活性吹扫气体对硫酸相进行纯化的例子。而对比例1和2分别采用纯氮气和纯氧气作为吹扫气体来纯化硫酸相。实施例6-10为按照本发明采用氧气与惰性气体的混合气体作为活性吹扫气体对氢碘酸相进行纯化的例子。而对比例3和4分别采用纯氮气和纯氧气作吹扫气来纯化氢碘酸相。
实施例1：
首先将纯化塔(如图1所示)加热升温分别至90℃，100℃，110℃，通过液体流量控制泵将组成为H2SO4+0.1HI+4H2O(即摩尔比H2SO4∶HI∶H2O＝1∶0.1∶4)的硫酸相，从纯化塔上部进料口输入，控制硫酸相液体流速为183g/h，同时将由氮气氧气混合气(摩尔比O2∶N2＝1∶20)组成的活性吹扫气体从纯化塔下部进气口通入，吹扫气体流速为11.8L/h，此时活性吹扫气体中氧气的摩尔流量与杂质酸HI的摩尔流量比为1∶4，硫酸相在活性吹扫气体吹扫的情况下流经控温的纯化塔，硫酸相中的少量氢碘酸与活性吹扫气体中的氧气发生生成碘的氧化反应：4HI+O2＝2I2+2H2O，达到纯化硫酸相的目的，纯化液从纯化塔下端的液体出料口流出。纯化反应后的气体从纯化塔上端排气口排出。
实施例2：
首先将纯化塔(如图1所示)加热升温至200℃，通过液体流量控制泵将组成为H2SO4+0.15HI+0.03I2+5H2O(即摩尔比H2SO4∶HI∶I2∶H2O＝1∶0.15∶0.03∶5)的硫酸相，从纯化塔上部进料口输入，控制硫酸相液体流速为215g/h，同时将由氧气氩气混合气(摩尔比O2∶Ar＝50∶1)组成的活性吹扫气体从纯化塔下部进气口通入，吹扫气体流速为6.9L/h，此时活性吹扫气体中氧气的摩尔流量与杂质酸HI的摩尔流量比为2∶1，硫酸相在活性吹扫气体吹扫的情况下流经控温的纯化塔，即被纯化，纯化液从纯化塔下端的液体出料口流出。纯化反应后的气体从纯化塔上端排气口排出。
实施例3：
首先将纯化塔(如图1所示)加热升温至80℃，通过液体流量控制泵将组成为H2SO4+0.05HI+4H2O(即摩尔比H2SO4∶HI∶H2O＝1∶0.05∶4)的硫酸相，从纯化塔上部进料口输入，控制硫酸相液体流速为177g/h，同时将由氮气氧气混合气(摩尔比O2∶N2＝1∶50)组成的活性吹扫气体从纯化塔下部进气口通入，吹扫气体流速为28.6L/h，此时活性吹扫气体中氧气的摩尔流量与杂质酸HI的摩尔流量比为1∶2，硫酸相在活性吹扫气体吹扫的情况下流经控温的纯化塔，即被纯化，纯化液从纯化塔下端的液体出料口流出。纯化反应后的气体从纯化塔上端排气口排出。
实施例4：
首先将纯化塔(如图1所示)加热升温至140℃，通过液体流量控制泵将组成为H2SO4+0.1HI+0.02I2+4H2O(即摩尔比H2SO4∶HI∶I2∶H2O＝1∶0.1∶0.02∶4)的硫酸相，从纯化塔上部进料口输入，控制硫酸相液体流速为940g/h，同时将由氧气、氦气、氮气混合气(摩尔比O2∶He∶N2＝1∶0.5∶0.5)组成的活性吹扫气体从纯化塔下部进气口通入，吹扫气体流速为22.4L/h，此时活性吹扫气体中氧气的摩尔流量与杂质酸HI的摩尔流量比为1∶1，硫酸相在活性吹扫气体吹扫的情况下流经控温的纯化塔，即被纯化，纯化液从纯化塔下端的液体出料口流出。纯化反应后的气体从纯化塔上端排气口排出。
实施例5：
首先将纯化塔(如图1所示)加热升温至120℃，通过液体流量控制泵将组成为H2SO4+0.1HI+0.02I2+4H2O(即摩尔比H2SO4∶HI∶I2∶H2O＝1∶0.1∶0.02∶4)的硫酸相，从纯化塔上部进料口输入，控制硫酸相液体流速为470g/h，同时将由氮气氦气混合气(摩尔比O2∶He＝1∶20)组成的活性吹扫气体从纯化塔下部进气口通入，吹扫气体流速为29.4L/h，此时活性吹扫气体中氧气的摩尔流量与杂质酸HI的摩尔流量比为1∶4，硫酸相在活性吹扫气体吹扫的情况下流经控温的纯化塔，即被纯化，纯化液从纯化塔下端的液体出料口流出。纯化反应后的气体从纯化塔上端排气口排出。
实施例6：
首先将纯化塔(如图1所示)加热升温至90℃，通过液体流量控制泵将组成为0.2H2SO4+2HI+8I2+10H2O(即摩尔比H2SO4∶HI∶I2∶H2O＝0.1∶1∶4∶5)的氢碘酸相，从纯化塔上部进料口输入，控制氢碘酸相液体流速为2486g/h，同时将活性吹扫气体氮氩氧混合气(摩尔比O2∶Ar∶N2＝1∶1∶1)从纯化塔下部进气口通入，吹扫气体流速为8.4L/h，活性吹扫气体氧气的摩尔流量与杂质酸H2SO4的摩尔流量比为1∶1.6，氢碘酸相在活性吹扫气体吹扫的情况下流经控温的纯化塔，即被纯化，纯化液从纯化塔下端的液体出料口流出。纯化反应后的气体从纯化塔上端排气口排出。
实施例7：
首先将纯化塔(如图1所示)加热升温分别至90℃，100℃，110℃，通过液体流量控制泵将组成为0.2H2SO4+2HI+8I2+10H2O(即摩尔比H2SO4∶HI∶I2∶H2O＝0.1∶1∶4∶5)的氢碘酸相，从纯化塔上部进料口输入，控制氢碘酸相液体流速为2486g/h，同时将由氮气氧气混合气(摩尔比O2∶N2＝1∶4)组成的活性吹扫气体从纯化塔下部进气口通入，吹扫气体流速为11.2L/h，活性吹扫气体氧气的摩尔流量与杂质酸H2SO4的摩尔流量比为1∶2，氢碘酸相在活性吹扫气体吹扫的情况下流经控温的纯化塔，氢碘酸中相的少量硫酸与部分氢碘酸发生本森反应的逆反应：H2SO4+2HI＝SO2+I2+2H2O，达到纯化氢碘酸相的目的，纯化液从纯化塔下端的液体出料口流出。纯化反应后的气体从纯化塔上端排气口排出。
实施例8：
首先将纯化塔(如图1所示)加热升温至110℃，通过液体流量控制泵将组成为0.1H2SO4+2HI+3.5I2+16H2O(即摩尔比H2SO4∶HI∶I2∶H2O＝0.05∶1∶1.75∶8)的氢碘酸相，从纯化塔上部进料口输入，控制氢碘酸相液体流速为1442g/h，同时将由氦气氧气混合气(摩尔比O2∶He＝1∶6.7)组成的活性吹扫气体从纯化塔下部进气口通入，吹扫气体流速为25.9L/h，活性吹扫气体中氧气的摩尔流量与杂质酸H2SO4的摩尔流量比为1.5∶1，氢碘酸相在活性吹扫气体吹扫的情况下流经控温的纯化塔，即被纯化，纯化液从纯化塔下端的液体出料口流出。纯化反应后的气体从纯化塔上端排气口排出。
实施例9：
首先将纯化塔(如图1所示)加热升温至120℃，通过液体流量控制泵将组成为0.2H2SO4+2HI+8I2+10H2O(即摩尔比H2SO4∶HI∶I2∶H2O＝0.1∶1∶4∶5)的氢碘酸相，从纯化塔上部进料口输入，控制氢碘酸相液体流速为2486g/h，同时将由氩气氧气混合气(摩尔比O2∶Ar＝1∶10)组成的活性吹扫气体从纯化塔下部进气口通入，吹扫气体流速为49.3L/h，活性吹扫气体氧气的摩尔流量与杂质酸H2SO4的摩尔流量比为1∶1，氢碘酸相在活性吹扫气体吹扫的情况下流经控温的纯化塔，即被纯化，纯化液从纯化塔下端的液体出料口流出。纯化反应后的气体从纯化塔上端排气口排出。
实施例10：
首先将纯化塔(如图1所示)加热升温至150℃，通过液体流量控制泵将组成为0.2H2SO4+2HI+8I2+10H2O(即摩尔比H2SO4∶HI∶I2∶H2O＝0.1∶1∶4∶5)的氢碘酸相，从纯化塔上部进料口输入，控制氢碘酸相液体流速为4972g/h，同时将由氮气氧气混合气(摩尔比O2∶N2＝1∶4)组成的活性吹扫气体从纯化塔下部进气口通入，吹扫气体流速为22.4L/h，活性吹扫气体氧气的摩尔流量与杂质酸H2SO4的摩尔流量比为1∶2，氢碘酸相在活性吹扫气体吹扫的情况下流经控温的纯化塔，即被纯化，纯化液从纯化塔下端的液体出料口流出。纯化反应后的气体从纯化塔上端排气口排出。
对比例1(与实施例1对应，差别是吹扫气为纯氮气)
首先将纯化塔(如图1所示)加热升温分别至90℃，100℃，110℃，通过液体流量控制泵将组成为H2SO4+0.1HI+4H2O(即摩尔比H2SO4∶HI∶H2O＝1∶0.1∶4)的硫酸相，从纯化塔上部进料口输入，控制硫酸相液体流速为183g/h，同时将由氮气吹扫气体从纯化塔下部进气口通入，吹扫气体流速为11.2L/h，硫酸相在氮气吹扫气体吹扫的情况下流经控温的纯化塔，即被纯化，纯化液从纯化塔下端的液体出料口流出。纯化反应后的气体从纯化塔上端排气口排出。
对比例2(与实施例1对应，差别是吹扫气为纯氧气)
首先将纯化塔(如图1所示)加热升温分别至90℃，100℃，110℃，通过液体流量控制泵将组成为H2SO4+0.1HI+4H2O(即摩尔比H2SO4∶HI∶H2O＝1∶0.1∶4)的硫酸相，从纯化塔上部进料口输入，控制硫酸相液体流速为183g/h，同时将氧气吹扫气体从纯化塔下部进气口通入，吹扫气体流速为11.2L/h，硫酸相在氧气吹扫气体吹扫的情况下流经控温的纯化塔，即被纯化，纯化液从纯化塔下端的液体出料口流出。纯化反应后的气体从纯化塔上端排气口排出。
对比例3(与实施例7对应，差别是吹扫气为纯氮气)
首先将纯化塔(如图1所示)加热升温分别至90℃，100℃，110℃，通过液体流量控制泵将组成为0.2H2SO4+2HI+8I2+10H2O(即摩尔比H2SO4∶HI∶I2∶H2O＝0.1∶1∶4∶5)的氢碘酸相，从纯化塔上部进料口输入，控制氢碘酸相液体流速为2486g/h，同时将由氮气吹扫气体从纯化塔下部进气口通入，吹扫气体流速为9L/h，氢碘酸相在氮气吹扫气体吹扫的情况下流经控温的纯化塔，即被纯化，纯化液从纯化塔下端的液体出料口流出。纯化反应后的气体从纯化塔上端排气口排出。
对比例4(与实施例7对应，差别是吹扫气为纯氧气)
首先将纯化塔(如图1所示)加热升温分别至90℃，100℃，110℃，通过液体流量控制泵将组成为0.2H2SO4+2HI+8I2+10H2O(即摩尔比H2SO4∶HI∶I2∶H2O＝0.1∶1∶4∶5)的氢碘酸相，从纯化塔上部进料口输入，控制氢碘酸相液体流速为2486g/h，同时将由氧气吹扫气体从纯化塔下部进气口通入，吹扫气体流速为2.2L/h，氧气的摩尔流量与杂质酸H2SO4的摩尔流量比为1∶2，氢碘酸相在氧气吹扫气体吹扫的情况下流经控温的纯化塔，即被纯化，纯化液从纯化塔下端的液体出料口流出。纯化反应后的气体从纯化塔上端排气口排出。
为了评价两相纯化效果，表1给出了评价硫酸相和氢碘酸相纯化效果的函数定义及其计算公式。
表1-评价硫酸相和氢碘酸相纯化效果的函数定义及其计算公式
| 函数 | 定义 | 计算公式[1] | 说明 |
| Yacid | 酸的收率 | OFacid/IFacidx100％ | Acid＝HI，or H2SO4 |
| Cacid | 酸的转化率 | (1-Yacid)x100％ | |
| SI2 | 碘的选择性 | 2OFI2/(IFHI-OFHI)x100％ | |
| SHIO3 | HIO3的选择性 | OFHIO3/(IFHI-OFHI)x100％ | |
| Sk | 组分k的选择性 | OFk/(IFSA-OFSA)x100％ | k＝SO2，S，or H2S |
| DXi | 组分i在X相的分配比 | OFXi/OFix100％ | X＝S(固)，V(气)，或A(液) |
备注：[1]IFi为组分i的进料流速，单位mol/h
OFi为纯化反应后组分i的总流出速率，单位mol/h
OFxi为纯化反应后组分i在X相中的流出速率，X指S(固)，V(气)，或A(液)单位mol/h
表2和表3分别给出了不同吹扫气下的硫酸相与氢碘酸相的纯化效果。这些结果是采用模拟软件ESP(Environmental Simulation Program，version 8.1，OLI Systems，Inc.)对实施例进行的热力学模拟计算分析结果，模拟分析建立在相关反应平衡和相平衡基础之上，并不考虑反应的动力学。通过对表2硫酸相纯化的实施例和对比例所产生的纯化效果的研究分析表明，采用传统的氮气吹扫工艺，可以使HI完全转化为I2，即I2的选择性可以达到100％，但由于纯化原理是HI与H2SO4之间本森反应的逆反应，因此总要消耗一定量的H2SO4；采用单纯氧作为吹扫气，虽然HI的转化率和H2SO4的收率可以达到100％，但是由于发生纯氧与HI的深度氧化，使得HI转化为I2的选择性较低；采用氧气与惰性气体的混合气体作为吹扫气体来纯化硫酸相，不但可以有效地去除了硫酸相中的HI杂质，而且硫酸的收率可以达到100％，这是由于纯化反应原理是氧与氢碘酸之间的氧化反应：4HI+O2＝2I2+2H2O，硫酸不参与反应，因此不被消耗，这不同于传统氮作为吹扫气体的硫酸相纯化反应原理：2HI+H2SO4＝SO2+I2+2H2O；与单纯氧作为吹扫气体的硫酸相纯化工艺相比，混合气体吹扫纯化工艺在较低的温度下就可以将HI完全转化为I2，即可以避免氢碘酸的深度氧化，也可以促进产物碘在气相中的分配。通过对表3氢碘酸相纯化的实施例和对比例所产生的纯化效果的研究分析表明，采用传统的氮气吹扫工艺，虽然杂质硫酸的转化率较高，但是由于严重的发生副反应，硫酸转化为SO2的选择性并不高；采用单纯氧作为吹扫气体，在一定程度上能够提高SO2的选择性，但是纯氧与HI之间的副反应严重影响了HI与H2SO4之间本森反应逆反应的发生；与单纯氮或单纯氧气作为吹扫气体相比，采用本发明提出的氧气与惰性气体的混合气体作为吹扫气体来纯化氢碘酸相，即可以成功抑制副反应的发生，也可以改善硫酸的转化率，从而有效地将氢碘酸相中的少量硫酸转化为可继续参与碘硫循环的SO2。
上述研究表明，采用本发明提出的以氧气与惰性气体的混合气为吹扫气的两相纯化工艺，可以有效去除硫酸相中少量的HI和氢碘酸相中少量的H2SO4，显示了良好的应用前景。
表2不同吹扫气体下的硫酸相纯化效果对比
| 实施例与对比例 | 吹扫气种类 | 温度/℃ | HI转化率/％ | H2SO4收率/％ | I2选择性/％ | HIO3选择性/％ | I2在气相中的分配比/％ |
| 实施例1 | N2+O2 | 90 | 100 | 100 | 100 | 0 | 47 |
| 100 | 100 | 100 | 100 | 0 | 94.6 | ||
| 110 | 100 | 100 | 100 | 0 | 95.5 | ||
| 对比例1 | N2 | 90 | 99.7 | 95 | 100 | 0 | 53.2 |
| 100 | 99.8 | 95 | 100 | 0 | 95.1 | ||
| 110 | 100 | 95 | 100 | 0 | 96.3 | ||
| 对比例2 | O2 | 90 | 100 | 100 | 17.5 | 82.5 | 67.9 |
| 100 | 100 | 100 | 53.1 | 46.9 | 83.4 |
| 110 | 100 | 100 | 82.9 | 17.1 | 92.1 |
表3不同吹扫气体下的氢碘酸相纯化效果对比
| 实施例与对比例 | 吹扫气种类 | 温度/℃ | H2SO4转化率/％ | SO2选择性/％ | S选择性/％ |
| 实施例7 | N2+O2 | 90 | 9.76 | 76.1 | 23.9 |
| 100 | 22.6 | 95.3 | 4.7 | ||
| 110 | 48.9 | 99.9 | 0 | ||
| 对比例3 | N2 | 90 | 38.7 | 14.9 | 85.1 |
| 100 | 48.9 | 33.2 | 66.8 | ||
| 110 | 72.1 | 57.5 | 42.4 | ||
| 对比例4 | O2 | 90 | 4.5 | 39.4 | 60.6 |
| 100 | 8 | 44.4 | 55.6 | ||
| 110 | 11.6 | 47.7 | 52.3 |
Claims (4)
1.一种对碘硫循环中硫酸相进行纯化的工艺，其特征在于，该工艺的步骤如下：
1)首先将纯化塔加热升温至80～200℃，通过液体流量控制泵将已知组分的硫酸相从纯化塔上部进料口输入，同时将活性吹扫气体从纯化塔下部进气口通入，所述的活性吹扫气体采用氧气与惰性气体的混合气体；
2)硫酸相在活性吹扫气体吹扫的情况下流经控温的纯化塔，硫酸相中的少量氢碘酸与活性吹扫气体中的氧气发生生成碘的氧化反应：4HI+O2＝2I2+2H2O，达到纯化硫酸相的目的；
3)纯化液从纯化塔下端的液体出料口流出，纯化反应后的气体从纯化塔上端排气口排出；所述的活性吹扫气体中氧气的摩尔流量与硫酸相中杂质酸HI的摩尔流量比至少为1∶4。
2.如权利要求1所述的一种对碘硫循环中硫酸相进行纯化的工艺，其特征在于，所述的氧气与惰性气体的混合气体是指氧气与氮气、氦气和氩气中的一种或几种形成的混合气体。
3.一种对碘硫循环中氢碘酸相进行纯化的工艺，其特征在于，该工艺的步骤如下：
1)首先将纯化塔加热升温至90～150℃，通过液体流量控制泵将已知组分的氢碘酸相从纯化塔上部进料口输入，同时将活性吹扫气体从纯化塔下部进气口通入，所述的活性吹扫气体采用氧气与惰性气体的混合气体；
2)氢碘酸相在活性吹扫气体吹扫的情况下流经控温的纯化塔，氢碘酸中相的少量硫酸与部分氢碘酸发生本森反应的逆反应：H2SO4+2HI＝SO2+I2+2H2O，达到纯化氢碘酸相的目的；
3)纯化液从纯化塔下端的液体出料口流出，纯化反应后的气体从纯化塔上端排气口排出；所述的活性吹扫气体中氧的摩尔流量与氢碘酸相中杂质酸H2SO4的摩尔流量比大于0∶1且小于2∶1。
4.如权利要求3所述的一种对碘硫循环中氢碘酸相进行纯化的工艺，其特征在于，所述的氧气与惰性气体的混合气体是指氧气与氮气、氦气和氩气中的一种或几种形成的混合气体。
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