第29卷第2期2011年4月低温与特气
Low T e m pe ra t ure and Spec ialty G ases V o l 29, N o 2
A pr , 2011
工艺与设备
微波与水浴加热条件下对沸石
分子筛吸附量的对比研究
党璐璐, 刘应书, 张 辉, 李 虎, 王海鸿, 贾彦翔
(北京科技大学机械工程学院, 北京 100083)
摘要:为了研究微波作用对沸石分子筛吸附的影响与特点, 采用静态吸附容量法, 对比研究了微波与水浴两种加热条件下沸石分子筛的吸附量。实验结果表明:在相同的加热温度下, 与水浴加热相比, 微波加热能够快速加热分子筛, 极大地缩短了加热时间; 在相同的温度与压力条件下, 与水浴加热相比, 微波作用下分子筛吸附量总是更低。这表明微波加热沸石分子筛, 除了热效应以外, 可能还存在减弱沸石分子筛对气体的吸附作用的非热效应。研究结果可为吸附剂微波解吸的研究提供参考。关键词:微波加热; 沸石分子筛; 静态吸附; 吸附量; 解吸中图分类号:TQ 424 25
文献标志码:A
文章编号:1007 7804(2011) 02 0011 05
do:i 10 3969/j i ssn 1007 7804 2011 02 004
Adsorptive Capacity of Z eoliteM olecul ar Sieves Under
M icro w ave Irradiation And H ydrother ma lH eating
DANG Lu l u , LI U Y ingshu , ZHANG H u, i LIH u, WANG H aihong , JI A Yanx iang
(Schoo l ofM echan i ca l Eng i neer i ng , U n i v ers it y o f Science and T echno l ogy Beiji ng , Be iji ng 100083, Ch i na) Abstrac t :The nitrogen adsorp tion capacity o f zeo lite mo lecu lar sieves under m i crowave and hydrother m a l heati ng w as ex peri m enta lly stud ied by static vo l u m etric m ethod . T he results show that i n sa m e heati ng temperature , m icrow ave hea ti ng can m ake the mo lecu l a r sieves heated m ore qu i ckly than tha t heated w ith the hydro t her m a l heati ng; and t hat unde r the cond iti on o f constant temperature and pressure , the adsorption capac ity of zeo lite m olecu lar si eves unde r m icro w ave heati ng i s al ways lo w er than t hat under hydrother m a l heati ng . T his ind i cates t hat both t her m a l effect and non t her m a l effect m ay ex i st when the zeo lite m o lecular sieves is hea ted by m i c rowave . T he non ther m al e ffect caused by the m i c rowave reduced t he n i trogen adsorpti on capacity . Those resu lts can prov i de a reference f o r t he study of adsorbent desorption by m icrowave heati ng . K ey word s :m icro w ave heati ng ; zeo lite mo lecu l a r si eves ; static adsorpti on ; adsorption capac ity ; desorpti on
19世纪40年代, 国外研究人员发现微波的热效应, 为微波技术应用开辟了新领域
[1]
加热从物质内部加热, 具有加热速度快、温度均匀、节能高效等优点
[4]
。近年来, 。微波加热物质的原理是,
在气体吸附分离领域, 微波技术得到了广泛应用。
一方面, 由于微波辐射对晶体结构、孔径分布等方面产生影响, 利用微波改性与制备分子筛有了深入的研究与开发
[2]
微波产生的高频交变磁场使得物质内部的分子极化, 并随着磁场方向的改变高速振荡, 从而加剧了分子的热运动, 微波能量转化为分子内能, 使得物质温度升高, 这就是微波的热效应, 也称为温度效应。此外, 分子极化后, 其高速振荡破坏了分子间的作用力, 使得分子更易分离, 人们称其为微波的
。另一方面, 利用微波加热使得
[3]
吸附剂解吸与再生也有了一定的研究。
与传统的由外及内的热传导式加热不同, 微波
07; : 24
低温与特气 第29卷12
非热效应。
微波辐射加热吸附剂时, 一方面, 微波热效应导致吸附剂温度升高, 使气体吸附质解吸; 另一方面, 微波非热效应可能会削弱吸附剂束缚气体吸附质的能力, 进一步促进吸附剂的再生。在微波强化吸附剂解吸再生方面, 国内外均有研究报道
[6]
[5]
石英对微波具有透过性, 不吸收微波, 作为加热容器也具有良好的耐热性
[10]
。
表1 实验用沸石分子筛参数
Tab le 1 The para m eters of zeo lite m o lecu lar sieves
颗粒尺寸mm 0 61~0 65
抗压强度
kg >2 2
堆积密度g /c m 30 65~0 7
氮的静态吸附0 1M Pa /25 >19NL /kg
。
但是由于微波对解吸的作用机理, 特别是对于微波
热效应与非热效应之间的作用原理还存在争议, 这在一定程度上限制了微波在吸附剂再生方面的研究与应用
[7]
实验中所用到的微波加热装置为湖南长沙隆泰微波热工公司设计制造的WG1/2 45 5 454型微波管式炉, 功率在50~1000W 连续可调; 水浴加热所采用的装置为DKB 8A 型电热恒温水槽, 功率为1500W, 能够实现室温到70 的连续调节。1 2 实验流程及原理
实验管路分为两部分, 阀1与阀2之间的缓冲腔体积为V 1; 阀2与阀3之间的吸附腔除去分子筛所占的体积定为V 2。采用静态吸附容量法进行测量与计算
[8]
。
[8]
本文采用静态吸附容量法, 分别通过微波
加热与水浴加热, 在相同热温度下测定沸石分子筛对氮气的吸附量, 以期探究微波加热和水浴加热对分子筛吸附量的影响。
1 实验研究
1 1 实验系统与装置
实验系统如图1所示。系统由气源、缓冲罐、缓冲腔、吸附腔、控制阀门(阀1~3) 、真空泵、测量系统和加热系统等组成。测量系统由压力传感器、温度传感器以及数据采集系统组成; 吸附腔内装有一定量的沸石分子筛; 加热器分别为微波炉与
水浴恒温箱。
。
实验前用惰性气体H e 对V 1和V 2进行标定。对管路抽真空后用H e 进行两次清洗, 再抽真空。关闭阀2与阀3, 打开阀1, 充入一定压力的H e , 关闭阀1, 记录此时的压力P 1。打开阀2, V 1与V 2连通平衡后, 记录此时的压力P 2。在室温下, 根据理想气体状态方程得到式(1) 。
P 1V 1=P 2V 1+P 2V 2
(1)
热源对分子筛加热至稳定温度后, 进行分子筛吸附量的测量。对管路抽真空后用N 2气源进行两次清洗, 再抽真空。关闭阀2与阀3, 打开阀1, 充入一定的N 2, 关闭阀1, 记录此时的压力, 即进气压力为P 1, 温度为T 1, 设此时充入N 2的摩尔数为n 1, 根据理想气体状态方程可得n 1=
P 1V 1
。打RT 1
开阀2, 分子筛进行吸附, 吸附平衡后的吸附压力为P 2, 温度为T 2, 设经过分子筛吸附后, 剩余氮
图1 分子筛静态吸附量测量系统示意图F i g 1 T he sche m a tic diag ra m of adsorpti on m easure m ent syste m f o r m o l ecular sieves
气的摩尔数n 2为
P 2V 1+V 。则分子筛的总吸
RT 2
附量可由式(2) 求出。
n 1-n 2=
P 1V 1P 2V 1+V -RT 1RT 2
(2)
实验采用高纯氮气(99 999%) 作为吸附气体。本文所测定的分子筛吸附量即为沸石分子筛吸附氮气的量。沸石分子筛对微波具有吸收性, 在微波作用下有明显的温度效应筛的物性参数见表1。
[9]
单位质量分子筛吸附量即为式(3) 。Q =
n 1-n 2
=m
P 1V 1P 2V 1+V (3) -mR T 1T 2
。实验用沸石分子
Q m o ;
第2期 党璐璐, 等:微波与水浴加热条件下对沸石分子筛吸附量的对比研究 13分子筛质量, g; R 为通用气体常量, 8 314J/(mo l K ) 。1 3 实验内容
首先, 分别用微波与水浴加热沸石分子筛至一定温度, 加热温度选择40、50、60 。然后在该温度下, 选择不同的进气压力测量分子筛的吸附量, 进气压力为30、40、50、60、70、80kPa 。最后将相同的加热温度与进气压力下, 微波与水浴两种加热方式下的分子筛吸附量进行对比。
子筛温度随时间变化的升温曲线。其中微波加热是以恒定功率50W 进行加热, 而水浴加热则是先将水箱温度调至50 , 再将分子筛放入水浴中加热。由图2可以看出, 无论是微波加热还是水浴加热, 分子筛温度的升高与时间呈线性关系, 但是两种加热方式下分子筛的升温速率则相差很大。微波加热时, 以恒定功率50W 加热60s , 分子筛温度即可达到50 ; 而分子筛在水浴中则需要20m i n 的加热时间, 温度才能够达到设定值。
水浴加热属于常规的由外及内热传导式加热, 能量的传递需要一个过程。而微波加热是从物质内部加热, 将微波能直接有效地转化为分子热动能。因此与常规水浴加热相比, 微波能够快速地加热分子筛, 极大地缩短了加热时间, 同时也降低了能
耗。
2 结果与分析
2 1 分子筛升温
考察在采用微波加热和水浴加热条件下, 沸石分子筛的升温过程。图2给出了两种加热方式下分
图2 分子筛加热至50 的升温曲线
F i g 2 T he heati ng curve o fm o l ecular sieves from room temperature to 50
2 2 分子筛吸附量对比
首先考察在吸附压力固定而温度不同时, 微波加热与水浴加热方式下的沸石分子筛吸附量, 得到吸附等压曲线。图3为吸附压力P 2为15 5kPa 时, 两种加热方式下的分子筛吸附量随温度变化的曲线。其中微波加热与水浴加热都能够维持分子筛温度稳定。由图3可以看出, 两种加热方式下的分子筛吸附等压曲线都随着分子筛温度的升高而降低。但是两种加热方式下的分子筛吸附量并不相同, 微波加热下的分子筛吸附量始终低于水浴加热下的分子筛吸附量。
根据实验条件, 选择了40、50、60 三个温度点, 在温度恒定、吸附压力不同的情况下测量两种方式的分子筛吸附量。图4为分别用微波与水浴
加热分子筛至恒定温度, 两种加热方式下分子筛吸
附量随吸附压力变化的曲线。
图3 分子筛吸附量随温度变化曲线F i g 3 T he stati c adsorpti on capacity o f te m
低温与特气 第29卷14
的解吸。因此在图3、4中, 分子筛吸附量的变
化趋势是随温度的升高而降低, 随吸附压力的升高而增大。
通过以上分析可知, 即使压力等参数发生变化, 吸附量总是随温度的增加而减少, 且在相同加热温度下, 微波加热时吸附量总是低于水浴加热的吸附量。吸附量随温度的增加而减少是吸附剂等温线所表现出的基本特性, 本实验的结果说明本文所设计的实验条件是合理的。而微波加热下的分子筛吸附量总是低于水浴加热下的分子筛吸附量, 说明微波加热比水浴加热对吸附剂吸附量的影响更显著, 其可能原因是微波加热具有非热效应。这种非热效应减弱了沸石分子筛对气体的吸附作用, 致使在相同温度下, 微波非热效应使得微波作用下的分子筛吸附量要低于水浴加热下的分子筛吸附量。
[11]
3 结 论
在实验条件下, 研究了微波与水浴两种加热方式对沸石分子筛吸附氮气量的影响, 得到了以下结论:
1. 与常规水浴加热相比, 微波加热能够快速地加热分子筛, 极大地缩短了加热时间。2. 在相同的温度与压力条件下, 与水浴加热相比, 微波加热下的沸石分子筛吸附曲线总是处于下方, 微波作用下分子筛吸附量更低。
3. 微波加热沸石分子筛, 除了热效应以外, 可能还存在减弱沸石分子筛对气体的吸附作用的非热效应。参考文献:
[1]金钦汉. 微波化学[M].北京:科学出版社, 1999. [2]李伟, 陶克毅, 李赫. 微波技术在分子筛催化剂中的
应用[J].石油化工, 1998, 27(9):691 694. [3]CHERBANSK I R, MO LGA E . Intensifi cation o f desorpti on
processes by use o fm i c rowaves A n ove rv ie w o f possi b l e ap pli cations and industr i a l perspecti ves [J].Che m ica l Eng i neer i ng and P rocessi ng, 2009(48):48 58.
[4]赵克玉, 许福永. 微波原理与技术[M ].北京:高等
教育出版社, 2006.
[5]曾后生, 许利琴, 帅敏, 等. 浅谈我国微波技术应用
现状及前景[J].九江师专学报, 2001(6):82 88. [6]韩金根, 靳新华, 计莉婷, 等. 微波
图4 两种加热方式下分子筛吸附量随吸附压力变化曲线F i g 4 The st atic adsorption capac i ty of zeoli te u nder different press ure
由图4可以看出, 微波与水浴加热方式下的分子筛吸附量变化趋势都是随着压力的升高而增大, 但是相同状态下分子筛吸附量并不相同。对比图4
中分子筛温度T 为40 时, 两种加热分子筛的吸附量随吸附压力变化的曲线, 可以看出在较低的吸附压力下, 两种加热方式下的分子筛吸附量相差不大, 但是随着吸附压力的升高, 两种加热方式下的分子筛吸附量差开始增大, 且水浴加热时的分子筛吸附量要高于微波加热时的分子筛吸附量。温度升高后(达到50 和60 ), 这种趋势依然相同。
由气相吸附等温线可知, 加压降温有利于吸附 下转第17页
第2期 蔺海云, 等:制氩系统运行不稳定原因分析及处理 17含量增加, 进而导致粗氩气中的氮组分增加, 由于这两方面的原因, 粗氩气的纯度一直偏低, 但主要影响的因素是膨胀量的增加。
计值。
6 结 语
2#14000Nm /h制氧机在投产设计时, 氩馏分量设计为19000Nm /h,粗氩气取出量设计为
3
3
3
4 处理措施
1. 降低粗氩气的取出量, 由450Nm /h降低
3
到400Nm /h, 来降低粗氩气中的氧含量, 减少纯液氩的生产量, 并减少空分系统的冷损。
2. 稳定氩馏分量在17500Nm /h左右, 不高于17800Nm /h, 含氩量在正常范围内。
3. 降低膨胀空气量, 由10000Nm /h降低到
3
9100Nm /h多, 改善精馏塔的精馏效果, 提高氧、氮、氩的分离效率, 从而提高氧纯度, 降低氩馏分中的氮组分, 提高粗氩中的氩组分含量。
4. 根据实际运行趋势调整精馏塔精馏工况。根据氧纯度、氮纯度及上下塔压力、阻力, 来调整精馏塔在正常运行范围内, 进而尽快促使制氩系统的快速恢复。
3
3
3
540Nm /h。但在原始设计的条件下实际运行中,
3
氩馏分量在17800Nm /h以下, 粗氩气在400Nm /h或稍多一点为妥, 这样才能保证制氧机正常稳定运行, 如氩馏分抽出量在18000Nm /h以上, 制氩系统会发生波动, 运行不稳定, 很有可能发生氮塞事故, 这方面的记录已有很多次, 如粗
3
氩气取出量超过450Nm /h以上, 粗氩气中的氧组分含量会明显增高, 会破坏产品氩的纯度, 产品质量受到影响, 所以在实际操作中一定要根据实际运行经验作出调整, 保持制氧机高效平稳运行, 避免发生氮塞事故及产品质量事故。参考文献:
[1]毛绍融, 朱朔元, 周智勇. 现代空分设备技术与操作
原理[M].杭州:杭州出版社, 2005:326.
[2]汤学忠, 顾福民. 新编制氧工问答[G ].北京:冶金
工业出版社,
2001:140 141.
3
3
3
5 处理效果
经过以上步骤调整, 空分系统及制氩系统大约经过3个小时的运行, 粗氩气含氩纯度从95 7%提高到99 5%以上, 含氧组分在5 10左右, 制氩系统恢复正常, 氩馏分量一直稳定在17500Nm /h左右。精馏塔运行比较稳定、正常, 上下塔压力、阻力符合设计要求, 氧氮产量及纯度符合设 上接第14页
辐射对分子筛再生活化的影响[J].化学世界,
(11):571 573.
[7]KU O Chao Y i n . D esorpti on and re adso rpti on o f ca rbon
nanotubes :Co m par isons of sodi u m hydrox i de and m icro wave irrad i ation pro cesses [J].Journal o fH azardous M a terials , 2008(152) :949 954.
[8]Y ang R T. G as Separa ti on by A dsorption P rocesses [M ].
Butter w orth Publi shers , 1987:94 95.
[9]PA I S M, NE W ALKAR B L, C HOU DARY N V. M icro
wave hydrothe r m al synthesi s and cha racte rization o f sili co a l u m i nopho sphate m o lecular si eve :
SSZ 51[J].M icro
1996
3
-6
作者简介:
蔺海云(1970), 男, 制氧工程师,
1996年毕业于郑2010年毕业于
州牧业工程高等专科学校制冷与空调专业,
西安交通大学热能与动力专业, 现工作于安阳钢铁股份有限公司制氧厂技术教育科, 从事技术质量管理工作。
porous and M esoporous M ater i a ls , 367.
2008(112):357
[10]卢凯. 微波的原理及特点[J].农业机械化与电气
化, 2007(1):61 62.
[11]甘尉棠. 现代化工分离技术讲座[J].精细石油化
工, 2004(4):63 64.
作者简介:
党璐璐(1984) , 女, 籍贯:青海省同德县。硕士, 现就读于北京科技大学机械工程学院动力工程及工程热物理专业, 研究方向:小型变压吸附制氧机与微波技术再生吸附剂。
第29卷第2期2011年4月低温与特气
Low T e m pe ra t ure and Spec ialty G ases V o l 29, N o 2
A pr , 2011
工艺与设备
微波与水浴加热条件下对沸石
分子筛吸附量的对比研究
党璐璐, 刘应书, 张 辉, 李 虎, 王海鸿, 贾彦翔
(北京科技大学机械工程学院, 北京 100083)
摘要:为了研究微波作用对沸石分子筛吸附的影响与特点, 采用静态吸附容量法, 对比研究了微波与水浴两种加热条件下沸石分子筛的吸附量。实验结果表明:在相同的加热温度下, 与水浴加热相比, 微波加热能够快速加热分子筛, 极大地缩短了加热时间; 在相同的温度与压力条件下, 与水浴加热相比, 微波作用下分子筛吸附量总是更低。这表明微波加热沸石分子筛, 除了热效应以外, 可能还存在减弱沸石分子筛对气体的吸附作用的非热效应。研究结果可为吸附剂微波解吸的研究提供参考。关键词:微波加热; 沸石分子筛; 静态吸附; 吸附量; 解吸中图分类号:TQ 424 25
文献标志码:A
文章编号:1007 7804(2011) 02 0011 05
do:i 10 3969/j i ssn 1007 7804 2011 02 004
Adsorptive Capacity of Z eoliteM olecul ar Sieves Under
M icro w ave Irradiation And H ydrother ma lH eating
DANG Lu l u , LI U Y ingshu , ZHANG H u, i LIH u, WANG H aihong , JI A Yanx iang
(Schoo l ofM echan i ca l Eng i neer i ng , U n i v ers it y o f Science and T echno l ogy Beiji ng , Be iji ng 100083, Ch i na) Abstrac t :The nitrogen adsorp tion capacity o f zeo lite mo lecu lar sieves under m i crowave and hydrother m a l heati ng w as ex peri m enta lly stud ied by static vo l u m etric m ethod . T he results show that i n sa m e heati ng temperature , m icrow ave hea ti ng can m ake the mo lecu l a r sieves heated m ore qu i ckly than tha t heated w ith the hydro t her m a l heati ng; and t hat unde r the cond iti on o f constant temperature and pressure , the adsorption capac ity of zeo lite m olecu lar si eves unde r m icro w ave heati ng i s al ways lo w er than t hat under hydrother m a l heati ng . T his ind i cates t hat both t her m a l effect and non t her m a l effect m ay ex i st when the zeo lite m o lecular sieves is hea ted by m i c rowave . T he non ther m al e ffect caused by the m i c rowave reduced t he n i trogen adsorpti on capacity . Those resu lts can prov i de a reference f o r t he study of adsorbent desorption by m icrowave heati ng . K ey word s :m icro w ave heati ng ; zeo lite mo lecu l a r si eves ; static adsorpti on ; adsorption capac ity ; desorpti on
19世纪40年代, 国外研究人员发现微波的热效应, 为微波技术应用开辟了新领域
[1]
加热从物质内部加热, 具有加热速度快、温度均匀、节能高效等优点
[4]
。近年来, 。微波加热物质的原理是,
在气体吸附分离领域, 微波技术得到了广泛应用。
一方面, 由于微波辐射对晶体结构、孔径分布等方面产生影响, 利用微波改性与制备分子筛有了深入的研究与开发
[2]
微波产生的高频交变磁场使得物质内部的分子极化, 并随着磁场方向的改变高速振荡, 从而加剧了分子的热运动, 微波能量转化为分子内能, 使得物质温度升高, 这就是微波的热效应, 也称为温度效应。此外, 分子极化后, 其高速振荡破坏了分子间的作用力, 使得分子更易分离, 人们称其为微波的
。另一方面, 利用微波加热使得
[3]
吸附剂解吸与再生也有了一定的研究。
与传统的由外及内的热传导式加热不同, 微波
07; : 24
低温与特气 第29卷12
非热效应。
微波辐射加热吸附剂时, 一方面, 微波热效应导致吸附剂温度升高, 使气体吸附质解吸; 另一方面, 微波非热效应可能会削弱吸附剂束缚气体吸附质的能力, 进一步促进吸附剂的再生。在微波强化吸附剂解吸再生方面, 国内外均有研究报道
[6]
[5]
石英对微波具有透过性, 不吸收微波, 作为加热容器也具有良好的耐热性
[10]
。
表1 实验用沸石分子筛参数
Tab le 1 The para m eters of zeo lite m o lecu lar sieves
颗粒尺寸mm 0 61~0 65
抗压强度
kg >2 2
堆积密度g /c m 30 65~0 7
氮的静态吸附0 1M Pa /25 >19NL /kg
。
但是由于微波对解吸的作用机理, 特别是对于微波
热效应与非热效应之间的作用原理还存在争议, 这在一定程度上限制了微波在吸附剂再生方面的研究与应用
[7]
实验中所用到的微波加热装置为湖南长沙隆泰微波热工公司设计制造的WG1/2 45 5 454型微波管式炉, 功率在50~1000W 连续可调; 水浴加热所采用的装置为DKB 8A 型电热恒温水槽, 功率为1500W, 能够实现室温到70 的连续调节。1 2 实验流程及原理
实验管路分为两部分, 阀1与阀2之间的缓冲腔体积为V 1; 阀2与阀3之间的吸附腔除去分子筛所占的体积定为V 2。采用静态吸附容量法进行测量与计算
[8]
。
[8]
本文采用静态吸附容量法, 分别通过微波
加热与水浴加热, 在相同热温度下测定沸石分子筛对氮气的吸附量, 以期探究微波加热和水浴加热对分子筛吸附量的影响。
1 实验研究
1 1 实验系统与装置
实验系统如图1所示。系统由气源、缓冲罐、缓冲腔、吸附腔、控制阀门(阀1~3) 、真空泵、测量系统和加热系统等组成。测量系统由压力传感器、温度传感器以及数据采集系统组成; 吸附腔内装有一定量的沸石分子筛; 加热器分别为微波炉与
水浴恒温箱。
。
实验前用惰性气体H e 对V 1和V 2进行标定。对管路抽真空后用H e 进行两次清洗, 再抽真空。关闭阀2与阀3, 打开阀1, 充入一定压力的H e , 关闭阀1, 记录此时的压力P 1。打开阀2, V 1与V 2连通平衡后, 记录此时的压力P 2。在室温下, 根据理想气体状态方程得到式(1) 。
P 1V 1=P 2V 1+P 2V 2
(1)
热源对分子筛加热至稳定温度后, 进行分子筛吸附量的测量。对管路抽真空后用N 2气源进行两次清洗, 再抽真空。关闭阀2与阀3, 打开阀1, 充入一定的N 2, 关闭阀1, 记录此时的压力, 即进气压力为P 1, 温度为T 1, 设此时充入N 2的摩尔数为n 1, 根据理想气体状态方程可得n 1=
P 1V 1
。打RT 1
开阀2, 分子筛进行吸附, 吸附平衡后的吸附压力为P 2, 温度为T 2, 设经过分子筛吸附后, 剩余氮
图1 分子筛静态吸附量测量系统示意图F i g 1 T he sche m a tic diag ra m of adsorpti on m easure m ent syste m f o r m o l ecular sieves
气的摩尔数n 2为
P 2V 1+V 。则分子筛的总吸
RT 2
附量可由式(2) 求出。
n 1-n 2=
P 1V 1P 2V 1+V -RT 1RT 2
(2)
实验采用高纯氮气(99 999%) 作为吸附气体。本文所测定的分子筛吸附量即为沸石分子筛吸附氮气的量。沸石分子筛对微波具有吸收性, 在微波作用下有明显的温度效应筛的物性参数见表1。
[9]
单位质量分子筛吸附量即为式(3) 。Q =
n 1-n 2
=m
P 1V 1P 2V 1+V (3) -mR T 1T 2
。实验用沸石分子
Q m o ;
第2期 党璐璐, 等:微波与水浴加热条件下对沸石分子筛吸附量的对比研究 13分子筛质量, g; R 为通用气体常量, 8 314J/(mo l K ) 。1 3 实验内容
首先, 分别用微波与水浴加热沸石分子筛至一定温度, 加热温度选择40、50、60 。然后在该温度下, 选择不同的进气压力测量分子筛的吸附量, 进气压力为30、40、50、60、70、80kPa 。最后将相同的加热温度与进气压力下, 微波与水浴两种加热方式下的分子筛吸附量进行对比。
子筛温度随时间变化的升温曲线。其中微波加热是以恒定功率50W 进行加热, 而水浴加热则是先将水箱温度调至50 , 再将分子筛放入水浴中加热。由图2可以看出, 无论是微波加热还是水浴加热, 分子筛温度的升高与时间呈线性关系, 但是两种加热方式下分子筛的升温速率则相差很大。微波加热时, 以恒定功率50W 加热60s , 分子筛温度即可达到50 ; 而分子筛在水浴中则需要20m i n 的加热时间, 温度才能够达到设定值。
水浴加热属于常规的由外及内热传导式加热, 能量的传递需要一个过程。而微波加热是从物质内部加热, 将微波能直接有效地转化为分子热动能。因此与常规水浴加热相比, 微波能够快速地加热分子筛, 极大地缩短了加热时间, 同时也降低了能
耗。
2 结果与分析
2 1 分子筛升温
考察在采用微波加热和水浴加热条件下, 沸石分子筛的升温过程。图2给出了两种加热方式下分
图2 分子筛加热至50 的升温曲线
F i g 2 T he heati ng curve o fm o l ecular sieves from room temperature to 50
2 2 分子筛吸附量对比
首先考察在吸附压力固定而温度不同时, 微波加热与水浴加热方式下的沸石分子筛吸附量, 得到吸附等压曲线。图3为吸附压力P 2为15 5kPa 时, 两种加热方式下的分子筛吸附量随温度变化的曲线。其中微波加热与水浴加热都能够维持分子筛温度稳定。由图3可以看出, 两种加热方式下的分子筛吸附等压曲线都随着分子筛温度的升高而降低。但是两种加热方式下的分子筛吸附量并不相同, 微波加热下的分子筛吸附量始终低于水浴加热下的分子筛吸附量。
根据实验条件, 选择了40、50、60 三个温度点, 在温度恒定、吸附压力不同的情况下测量两种方式的分子筛吸附量。图4为分别用微波与水浴
加热分子筛至恒定温度, 两种加热方式下分子筛吸
附量随吸附压力变化的曲线。
图3 分子筛吸附量随温度变化曲线F i g 3 T he stati c adsorpti on capacity o f te m
低温与特气 第29卷14
的解吸。因此在图3、4中, 分子筛吸附量的变
化趋势是随温度的升高而降低, 随吸附压力的升高而增大。
通过以上分析可知, 即使压力等参数发生变化, 吸附量总是随温度的增加而减少, 且在相同加热温度下, 微波加热时吸附量总是低于水浴加热的吸附量。吸附量随温度的增加而减少是吸附剂等温线所表现出的基本特性, 本实验的结果说明本文所设计的实验条件是合理的。而微波加热下的分子筛吸附量总是低于水浴加热下的分子筛吸附量, 说明微波加热比水浴加热对吸附剂吸附量的影响更显著, 其可能原因是微波加热具有非热效应。这种非热效应减弱了沸石分子筛对气体的吸附作用, 致使在相同温度下, 微波非热效应使得微波作用下的分子筛吸附量要低于水浴加热下的分子筛吸附量。
[11]
3 结 论
在实验条件下, 研究了微波与水浴两种加热方式对沸石分子筛吸附氮气量的影响, 得到了以下结论:
1. 与常规水浴加热相比, 微波加热能够快速地加热分子筛, 极大地缩短了加热时间。2. 在相同的温度与压力条件下, 与水浴加热相比, 微波加热下的沸石分子筛吸附曲线总是处于下方, 微波作用下分子筛吸附量更低。
3. 微波加热沸石分子筛, 除了热效应以外, 可能还存在减弱沸石分子筛对气体的吸附作用的非热效应。参考文献:
[1]金钦汉. 微波化学[M].北京:科学出版社, 1999. [2]李伟, 陶克毅, 李赫. 微波技术在分子筛催化剂中的
应用[J].石油化工, 1998, 27(9):691 694. [3]CHERBANSK I R, MO LGA E . Intensifi cation o f desorpti on
processes by use o fm i c rowaves A n ove rv ie w o f possi b l e ap pli cations and industr i a l perspecti ves [J].Che m ica l Eng i neer i ng and P rocessi ng, 2009(48):48 58.
[4]赵克玉, 许福永. 微波原理与技术[M ].北京:高等
教育出版社, 2006.
[5]曾后生, 许利琴, 帅敏, 等. 浅谈我国微波技术应用
现状及前景[J].九江师专学报, 2001(6):82 88. [6]韩金根, 靳新华, 计莉婷, 等. 微波
图4 两种加热方式下分子筛吸附量随吸附压力变化曲线F i g 4 The st atic adsorption capac i ty of zeoli te u nder different press ure
由图4可以看出, 微波与水浴加热方式下的分子筛吸附量变化趋势都是随着压力的升高而增大, 但是相同状态下分子筛吸附量并不相同。对比图4
中分子筛温度T 为40 时, 两种加热分子筛的吸附量随吸附压力变化的曲线, 可以看出在较低的吸附压力下, 两种加热方式下的分子筛吸附量相差不大, 但是随着吸附压力的升高, 两种加热方式下的分子筛吸附量差开始增大, 且水浴加热时的分子筛吸附量要高于微波加热时的分子筛吸附量。温度升高后(达到50 和60 ), 这种趋势依然相同。
由气相吸附等温线可知, 加压降温有利于吸附 下转第17页
第2期 蔺海云, 等:制氩系统运行不稳定原因分析及处理 17含量增加, 进而导致粗氩气中的氮组分增加, 由于这两方面的原因, 粗氩气的纯度一直偏低, 但主要影响的因素是膨胀量的增加。
计值。
6 结 语
2#14000Nm /h制氧机在投产设计时, 氩馏分量设计为19000Nm /h,粗氩气取出量设计为
3
3
3
4 处理措施
1. 降低粗氩气的取出量, 由450Nm /h降低
3
到400Nm /h, 来降低粗氩气中的氧含量, 减少纯液氩的生产量, 并减少空分系统的冷损。
2. 稳定氩馏分量在17500Nm /h左右, 不高于17800Nm /h, 含氩量在正常范围内。
3. 降低膨胀空气量, 由10000Nm /h降低到
3
9100Nm /h多, 改善精馏塔的精馏效果, 提高氧、氮、氩的分离效率, 从而提高氧纯度, 降低氩馏分中的氮组分, 提高粗氩中的氩组分含量。
4. 根据实际运行趋势调整精馏塔精馏工况。根据氧纯度、氮纯度及上下塔压力、阻力, 来调整精馏塔在正常运行范围内, 进而尽快促使制氩系统的快速恢复。
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3
3
540Nm /h。但在原始设计的条件下实际运行中,
3
氩馏分量在17800Nm /h以下, 粗氩气在400Nm /h或稍多一点为妥, 这样才能保证制氧机正常稳定运行, 如氩馏分抽出量在18000Nm /h以上, 制氩系统会发生波动, 运行不稳定, 很有可能发生氮塞事故, 这方面的记录已有很多次, 如粗
3
氩气取出量超过450Nm /h以上, 粗氩气中的氧组分含量会明显增高, 会破坏产品氩的纯度, 产品质量受到影响, 所以在实际操作中一定要根据实际运行经验作出调整, 保持制氧机高效平稳运行, 避免发生氮塞事故及产品质量事故。参考文献:
[1]毛绍融, 朱朔元, 周智勇. 现代空分设备技术与操作
原理[M].杭州:杭州出版社, 2005:326.
[2]汤学忠, 顾福民. 新编制氧工问答[G ].北京:冶金
工业出版社,
2001:140 141.
3
3
3
5 处理效果
经过以上步骤调整, 空分系统及制氩系统大约经过3个小时的运行, 粗氩气含氩纯度从95 7%提高到99 5%以上, 含氧组分在5 10左右, 制氩系统恢复正常, 氩馏分量一直稳定在17500Nm /h左右。精馏塔运行比较稳定、正常, 上下塔压力、阻力符合设计要求, 氧氮产量及纯度符合设 上接第14页
辐射对分子筛再生活化的影响[J].化学世界,
(11):571 573.
[7]KU O Chao Y i n . D esorpti on and re adso rpti on o f ca rbon
nanotubes :Co m par isons of sodi u m hydrox i de and m icro wave irrad i ation pro cesses [J].Journal o fH azardous M a terials , 2008(152) :949 954.
[8]Y ang R T. G as Separa ti on by A dsorption P rocesses [M ].
Butter w orth Publi shers , 1987:94 95.
[9]PA I S M, NE W ALKAR B L, C HOU DARY N V. M icro
wave hydrothe r m al synthesi s and cha racte rization o f sili co a l u m i nopho sphate m o lecular si eve :
SSZ 51[J].M icro
1996
3
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作者简介:
蔺海云(1970), 男, 制氧工程师,
1996年毕业于郑2010年毕业于
州牧业工程高等专科学校制冷与空调专业,
西安交通大学热能与动力专业, 现工作于安阳钢铁股份有限公司制氧厂技术教育科, 从事技术质量管理工作。
porous and M esoporous M ater i a ls , 367.
2008(112):357
[10]卢凯. 微波的原理及特点[J].农业机械化与电气
化, 2007(1):61 62.
[11]甘尉棠. 现代化工分离技术讲座[J].精细石油化
工, 2004(4):63 64.
作者简介:
党璐璐(1984) , 女, 籍贯:青海省同德县。硕士, 现就读于北京科技大学机械工程学院动力工程及工程热物理专业, 研究方向:小型变压吸附制氧机与微波技术再生吸附剂。