微型变压吸附制氧机吸附剂的选择①

刘应书,王 曦

(北京科技大学气体分离工程研究所,北京 100083）

·工艺与设备·

微型变压吸附制氧机吸附剂的选择①

刘应书,王 曦

(北京科技大学气体分离工程研究所,北京 100083）

吸附剂的选择是变压吸附制氧技术中的重要环节。采用静态吸附的方法测量了 3种沸石分子筛在 298 K、308 K和318 K时对N2和O2的平衡吸附量并绘出了相应的吸附等温线。结合 3种吸附剂的特性参数以及其对N2和O2的吸附量,分析了影响沸石分子筛对N2和O2的吸附量的因素。以Langm uir吸附方程以及实验数据,计算出了这 3种吸附剂在不同温度下Langm uir特征参数 qm和B。研究结果可为微型变压吸附制氧系统选择合适的吸附剂提供参考。

沸石分子筛;静态吸附;吸附等温线;特征参数

随着人们生活水平的提高,对自身健康的关注程度也越来越高,变压吸附式微型制氧机也逐步深入普通家庭,而在变压吸附式微型制氧机的各个环节中,吸附剂的选择是一个非常重要的工艺环节,它的性能直接影响吸附分离的效果[1]。沸石分子筛是一种常见的应用于空气分离的吸附剂,它能优先吸附N2,是因为与O2相比 N2有较大的四极矩,因而 N2与沸石骨架中的阳离子之间的作用力较强[2]。目前市场上可供选择购置的分子筛种类较多,5A(钙A）分子筛、13X(钠 X）分子筛是最早发现具有 N2/O2筛分作用的吸附剂,曾经得到广泛应用,后来由于诸多问题已逐步被淘汰[3-4],近年来,随着人们对于分子筛改性研究的深入, L iX分子筛、L iAgX分子筛等也在众多领域中得到了较广泛的应用[5]。过去微型制氧机生产厂家主要靠大量制氧实验和生产经验来确定合适的吸附剂品种,既耗时间,又增加开发成本。本文针对微型变压吸附制氧机的吸附剂——沸石分子筛的选择进行了静态吸附实验研究,找出对于氧氮分离效果较好的分子筛,从而为微型变压吸附制氧机的吸附剂选择提供依据。

1 实验研究

1.1 吸附等温线测量

实验所用的主要设备包括:DKB-8A型电热恒温水槽,2ZX-2型旋片式真空泵,JCJ-800D型通用压力变送器以及阿尔泰 USB 2010数据采集卡。实验所用气体纯度均在 99.95%以上。

采用容量法[6]测量吸附剂对 N2和 O2的平衡吸附量,其基本原理是一定量的气体被吸附剂吸附之后,其压力发生变化,通过测量吸附前后压力的变化,由物料衡算可以得到气体在该吸附剂下的吸附量[7-9]。如图 1所示,已知参考腔的体积为 V1,在吸附腔内放入 m克的吸附剂,然后将氦气通入系统中,通过物料衡算的方法可以确定该系统中自由空间的体积 V2;使用真空泵将氦气充分脱掉,将参考腔和吸附腔置入事前已将温度 (T）设置好的恒温装置中,关闭V-5,向参考腔内通入一定压力 (P1）的气体 (N2或者 O2）,打开 V-5,此时气体开始吸附,待压力基本保持恒定,即吸附平衡之后,记录此时的压力 P2,则该吸附剂在温度 T和吸附压力 P2下的吸附量可通过物料衡算的方法,利用 C lausius—C lapyron方程即可得出,平衡吸附量:

重复上述方法若干次,即可得出该吸附剂在温度 T下的吸附等温线。

图 1 吸附剂静态平衡吸附量测量原理简图Fig.1 Measurem entprincip le diagram of static balance adsorp tion on adsorbent

1.2 实验结果与分析

1.2.1 吸附等温线

实验分别测量了 3种沸石分子筛在 298 K、308 K和 318 K下对 N2和 O2的吸附量,并得到相应的吸附等温线 (图 2～4）,并将 298 K下 3种沸石分子筛对N2和O2的吸附量进行对比 (图 5）。

由图 2～4可以看出,3种沸石分子筛对于 N2的吸附量均大于O2的吸附量;沸石分子筛对N2和O2的吸附量随吸附压力的升高而增加,并逐渐趋于稳定,随温度的升高而降低,同时压力越大,温度的影响越明显。

图 2 沸石分子筛 1对N2和O2吸附等温线Fig.2 A dsorp tion isotherm ofN2 and O2 on ZM S 1

由图 5可以看出,沸石分子筛 1对于 N2的吸附量高于其他两种沸石分子筛对于 N2的吸附量,而沸石分子筛 3对于这两种气体的吸附量均是 3种沸石分子筛中最少的;沸石分子筛 2对于 O2的吸附量是 3种沸石分子筛中最大的,沸石分子筛 1对于O2的吸附量略大于沸石分子筛 3对于O2的吸附量,但是它对N2的吸附量远高于沸石分子筛 3对N2的吸附量。由此,我们可以初步推断沸石分子筛 1的氧氮分离性能是 3种分子筛中最好的。

1.2.2 Langm uir特征参数 q m和B的计算

从图 2～4所呈现的吸附等温线来看,3种沸石分子筛对于N2和O2的吸附等温线均为第 I型吸附等温线[4],因此可用 Langm uir吸附方程来描述它们。

单纯气体的Langm uir吸附等温方程为:

其中 qm为吸附剂的饱和吸附量,B为 Langm uir吸附常数。

将Langm uir吸附等温方程化为直线形式为:

将实验所测的吸附等温线经此式处理后,线性度非常高,说明这些吸附等温线与 Langm uir吸附方程符合得很好。由拟合出的直线的截距和斜率即可得到各吸附等温线的Langm uir特征参数 qm和B。

实验数据通过吸附等温方程直线形式进行线性拟合,得到的Langm uir特征参数 qm和B如表1所示。

从表 1可以看出,随着温度的升高,3种沸石分子筛对N2和O2的饱和吸附量 qm逐渐减小,因此在低温下用沸石分子筛来分离N2和O2比在高温下有更好的效果。且在各温度条件下,沸石分子筛1对于N2的饱和吸附量是 3种沸石分子筛中最大的,对于O2的饱和吸附量是介于中间的,因此我们得出沸石分子筛 1是当前实验条件下最适合进行氮氧分离的吸附剂。同时通过对于饱和吸附量的计算,也证明了之前对于吸附等温图的初步推断是正确的。

当然,沸石分子筛 1仅仅是本次实验研究的 3种沸石分子筛中最适合用作氮氧分离的吸附剂,其对N2的吸附量以及对 O2的分离因子也并不是很大,因此继续对吸附剂进行研究,开发和寻找更优秀更合适的吸附剂仍是选择微型制氧机吸附剂的重 要课题。

表 1 N2和O2在 3种沸石分子筛上的Langm uir特征参数Table 1 Langm uir characteristic param etersofN2 and O2 on 3 typesof ZM S

2 结 论

(1）3种沸石分子筛对 N2的吸附量均大于 O2的吸附量,沸石分子筛对于N2和O2的吸附量随压力的升高而增大并逐渐趋于恒定,随温度的升高而降低,并且压力越大温度的影响越明显。

(2）3种沸石分子筛对于N2和O2的吸附等温线均属于第 I型吸附等温线,可用Langm uir吸附方程来描述。

(3）沸石分子筛对 N2和 O2的饱和吸附量 qm随温度的升高而减小。在实验研究的温度范围内沸石分子筛 1对N2的饱和吸附量最大,对O2的饱和吸附量介于另外两种分子筛之间,略高于沸石分子筛 3。因此沸石分子筛 1是本实验条件下最适合用作微型制氧机的吸附剂。

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The Selection of Adsorben t For a M in ia ture O xygen Genera ting by PSA Process

L IU Yingshu,WANG X i
(Institu te of Gas Separation Engineering,University of Science and Techno logy Beijing,Beijing 100083,China）

The choice of adsorbentare important for PSA oxygen techno logy.In thispaper,the adsorp tive capacity of three kindsof ZM S fo rN2and O2at298 K、308 K and 318 Kwasmeasured by static adsorp tion,and the corresponding adso rp tion isotherm swas figured out.Com bined the characteristic param etersof the three kindsof ZM Sw ith their adsorp tive capacity fo rN2and O2,the factors thataffectadsorp tive capacity forN2and O2in the ZM Swere analyzed.The characteristic param eter qmand B forN2and O2atdifferent temperatureswere calculated by fitting the experim ental dataw ith Langm uir adsorption equation.The resu ltsm ay bem eaningfu l for selecting adsorbent fo rm iniature PSA oxygen system.

zeo litemo lecu lar sieve;static adsorp tion;adsorp tion isotherm;characteristic param eter

TH77

A

1007-7804(2011）03-0004-04

10.3969/j.issn.1007-7804.2011.03.002

2011-01-18

刘应书 (1960）,男,教授,博士生导师,主要从事气体分离与净化研究,E-m ail:ysliu@ustb.edu.cn