富柴油中萘的吸附分离研究

吴仲华, 王祝敏, 郑维涛, 王 帅

(沈阳化工大学化学工程学院,辽宁沈阳 110142)

在焦化厂产生的焦炉煤气和煤焦油中含有大量的萘,随着焦炉煤气和煤焦油净化过程中温度的降低,萘会结晶析出,附着在设备管道壁上,堵塞管道.为此一般焦化厂用轻柴油清洗管道.用过之后的轻柴油由于萘含量高出国家标准,成为富柴油.目前,对于将富柴油中萘分离的方法,研究报道极少,富柴油的处理基本上都是以极低的价格卖出.本文根据富柴油中萘和柴油极性不同的原理,选用一种固体吸附剂将萘分离,达到柴油循环使用的目的.研究所得的数据将为实际生产提供依据,具有很大的经济效益.

1 实验部分

1.1 仪器与试剂

HZS-H水浴振荡器 (哈尔滨市东联电子技术开发有限公司);BS210S电子天平(北京赛多利斯天平有限公司);安捷伦 6890N气相色谱仪(美国安捷伦科技公司);自制固定床吸附柱;萘、吸附剂(国药集团化学试剂有限公司);轻柴油.

1.2 测定方法

萘的测定方法参照文献[1]用气相色谱法,检测萘的峰值,计算萘的含量.

1.3 平衡吸附实验

在一组锥形瓶中分别加入一定质量的吸附剂和一定浓度、体积的含萘柴油,在 293 K、303 K下,在水浴振荡器中振荡 30 min,吸附平衡后,用气相色谱检测萘的峰值,得出萘的含量,根据公式计算平衡吸附量:

式中,q—平衡吸附量,mg/g;VL—溶液体积,L; ρ0—吸附前的质量浓度,mg/L;ρe—平衡时的质量浓度,mg/L;mA—吸附剂的质量,g.

1.4 固定床突破实验

在自制固定床吸附柱内填充一定高度的吸附剂,溶液以一定流量从高位槽流下通过床层,实时分析不同时间流出液浓度,流出液浓度由气相色谱检测.考察流量、浓度对突破时间的影响,绘制突破曲线.

1.5 吸附剂再生

由于萘能随水蒸气挥发,因此,脱附实验采用向固定床通水蒸气的方法[2],使吸附剂达到再生的目的.再生后重新做固定床突破实验,将吸附–脱附重复多次考察再生率.

2 结果与讨论

2.1 吸附等温线

图1为在 293 K、303 K,初始萘溶液质量浓度为 1 000 mg/L,加入不同质量的吸附剂,吸附时间为 30 min条件下,吸附平衡质量浓度与平衡吸附量的关系图.

图1 萘的吸附等温线Fig.1 Adsorption isotherms of adsorbent for naphthalene

由图 1可见:吸附剂对富柴油中萘的吸附量随着温度的增加而降低,符合吸附的一般规律,即吸附是放热过程,升温不利于吸附.吸附剂对萘的吸附等温线类型属于多分子层的物理吸附[3],因此,采用BET等温吸附方程对等温线进行拟合,BET等温吸附方程为:

q—吸附量,mg/g;qm—单分子层吸附容量,mg/ g;y—流体为气相时,y为吸附质的分压,当流体为液相时,y为吸附质的摩尔分数;y0—流体为气相时,y0为饱和蒸汽压,当流体为液体时,y0为溶解度摩尔分数;c—常数;n—吸附层数.

拟合结果如图 2所示,BET方程中的参数见表 1.由表 1可见,BET吸附等温方程能够较好地描述萘在吸附剂上的吸附行为.在 293 K时qm较大,说明温度越低吸附越好;吸附层数 n大于 2,说明吸附剂对富柴油中萘的吸附是多层的物理吸附.

图2 BET拟合曲线Fig.2 BET fitting curve

表1 BET吸附等温方程Table 1 Isother ms equation ofBET

2.2 固定床穿透实验

(1)不同流量下的穿透曲线

由图 3可以看出:流量为 110 mL/h时,在25 min左右固定床达到穿透点,而流量是 50 mL/h时,穿透点的时间延长到了 50 min左右.由此可以得到萘在不同流量下穿透曲线的规律:穿透时间随着流量的增大而减小;穿透曲线几乎关于曲线上的“半浓度”点对称.

图3 不同流量下的穿透曲线Fig.3 Penetration curve of different velocity for the adsorption

(2)不同质量分数下的穿透曲线

通过固定床的萘溶液的质量分数分别是4.5%和 2.8%,控制流量为 90 mL/h,温度为室温,绘制萘溶液不同质量分数的穿透曲线 (见图 4).由图 4可以看出:在温度、流量一定的情况下,穿透点与溶液质量分数有很大关系[4-5]:一般溶液的质量分数高时穿透过程进行得较快,穿透时间变短.

图4 不同质量分数的穿透曲线Fig.4 Penetration curve of different concentration for the adsorption

2.3 再生后的吸附实验

向固定床通入 0.5 MPa、150℃的水蒸气对吸附剂进行再生.再生次数与再生效率的关系如图5所示.

图5 再生次数与再生效率的关系Fig.5 The relationship between regeneration t imes and regeneration efficiency

由图 5可以看出:经过 3次再生实验后,吸附剂的吸附性能略有下降,但 3次的再生效率基本不变,大约均为 95%.

3 结 论

(1)所选用的吸附剂能够有效地吸附富柴油中的萘,吸附等温线符合BET吸附等温方程,是多层吸附,具有明显的物理吸附特征.

(2)由突破曲线可以看出,浓度、流速都对突破曲线有影响,较大的浓度和较高的进料流速,都能使固定床更快突破.

(3)被萘饱和的固定床可采用水蒸气法再生,再生率几乎不变,再生后的吸附效率为95%左右.

[1] 齐婳,胡建军,王华兰,等.气相色谱法检测脱萘循环油中萘含量[J].燃料与化工,2006,37(3):40-41.

[2] 宁平,陈亚维,谷俊杰.固定床吸附器水蒸气解吸过程研究[J].化学工程,2000,28(5):15-17.

[3] 蒋维钧,雷良恒,刘茂林,等.化工原理.下册[M]. 2版.北京:清华大学出版社,2003:403-404.

[4]张海珍.大孔树脂在处理含芳香族化合物废水中的应用研究[D].南京:河海大学,2006.

[5] 郭利妍,沈军,王海荣,等.活性炭纤维吸附废水中酚的研究[J].工业用水与废水,2007,38(3):70-73.