微波与水浴加热条件下对沸石分子筛吸附量的对比研究①
2011-01-10党璐璐刘应书王海鸿贾彦翔
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)
·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①
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)
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。
微波加热;沸石分子筛;静态吸附;吸附量;解吸
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]。近年来,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]。另一方面,利用微波加热使得吸附剂解吸与再生也有了一定的研究[3]。
与传统的由外及内的热传导式加热不同,微波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]。微波加热物质的原理是,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,人们称其为微波的非热效应[5]。
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]。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]。
本文采用静态吸附容量法[8],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。
图 1 分子筛静态吸附量测量系统示意图Fig.1 The schem atic diagram of adsorp tion m easurem ent system formo lecu lar sieves
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[9]。实验用沸石分子筛的物性参数见表 1。
实验中装填分子筛的吸附腔为石英玻璃材质,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Table 1 The param etersof zeolitemolecular sieves
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-Ф5.454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V1;阀 2与阀 3之间的吸附腔除去分子筛所占的体积定为 V2。采用静态吸附容量法进行测量与计算[8]。
实验前用惰性气体 He对 V1和 V2进行标定。对管路抽真空后用 He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 He,关闭阀 1,记录此时的压力 P1。打开阀 2,V1与V2连通平衡后,记录此时的压力 P2。在室温下,根据理想气体状态方程得到式 (1)。
式中,Q为单位质量分子筛吸附量,μmo l/g;m为分子筛质量,g;R为通用气体常量,8.314 J/ (mol·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、80 kPa。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。
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 60 s,分子筛温度即可达到 50℃;而分子筛在水浴中则需要 20m in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。
图 2 分子筛加热至 50℃的升温曲线Fig.2 The heating curve ofmo lecu lar 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 P2为 15.5 kPa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Fig.3 The static adsorp tion capacity of zeo lite under different temperature
图 4 两种加热方式下分子筛吸附量随吸附压力变化曲线Fig.4 The static adsorp tion capacity of zeolite under differentpressure
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剂对吸附质的吸附;反之,降压升温有利于吸附剂的解吸[11]。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。
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。
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Adsorp tive Capac ity of ZeoliteM olecu lar Sieves Under M icrowave Irrad ia tion And Hydrotherm a l Hea ting
DANG Lulu,L IU Yingshu,ZHANG Hui,L IHu,WANG Haihong,JIA Yanxiang
(SchoolofMechanical Engineering,University of Science and Techno logy Beijing,Beijing 100083,China)
The nitrogen adso rp tion capacity of zeo litemolecu lar sieves underm icrowave and hyd ro therm al heatingwas experim entally stud ied by static vo lum etricm ethod.The resu lts show that in sam e heating tem perature,m icrowave heating can m ake themo lecu lar sieves heatedmo re quick ly than thatheatedw ith the hyd ro therm alheating;and thatunder the cond ition of constant temperature and pressure,the adsorp tion capacity of zeo litemo lecu lar sievesunderm icrowave heating is always lower than that under hyd rotherm al heating.This indicates that both therm al effect and non-therm al effectm ay existwhen the zeo litemo lecular sieves is heated bym icrowave.The non-therm al effect caused by them icrowave reduced the nitrogen adsorp tion capacity.Those results can provide a reference for the study of adsorbent deso rp tion bym icrowave heating.
m icrowave heating;zeo litemo lecular sieves;static adsorp tion;adsorp tion capacity;desorp tion
TQ424.25
A
1007-7804(2011)02-0011-05
10.3969/j.issn.1007-7804.2011.02.004
2010-05-07;
2010-12-24
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。