劉應(yīng)書,王 曦

(北京科技大學(xué)氣體分離工程研究所,北京 100083）

·工藝與設(shè)備·

微型變壓吸附制氧機吸附劑的選擇①

劉應(yīng)書,王 曦

(北京科技大學(xué)氣體分離工程研究所,北京 100083）

吸附劑的選擇是變壓吸附制氧技術(shù)中的重要環(huán)節(jié)。采用靜態(tài)吸附的方法測量了 3種沸石分子篩在 298 K、308 K和318 K時對N2和O2的平衡吸附量并繪出了相應(yīng)的吸附等溫線。結(jié)合 3種吸附劑的特性參數(shù)以及其對N2和O2的吸附量,分析了影響沸石分子篩對N2和O2的吸附量的因素。以Langm uir吸附方程以及實驗數(shù)據(jù),計算出了這 3種吸附劑在不同溫度下Langm uir特征參數(shù) qm和B。研究結(jié)果可為微型變壓吸附制氧系統(tǒng)選擇合適的吸附劑提供參考。

沸石分子篩;靜態(tài)吸附;吸附等溫線;特征參數(shù)

隨著人們生活水平的提高,對自身健康的關(guān)注程度也越來越高,變壓吸附式微型制氧機也逐步深入普通家庭,而在變壓吸附式微型制氧機的各個環(huán)節(jié)中,吸附劑的選擇是一個非常重要的工藝環(huán)節(jié),它的性能直接影響吸附分離的效果[1]。沸石分子篩是一種常見的應(yīng)用于空氣分離的吸附劑,它能優(yōu)先吸附N2,是因為與O2相比 N2有較大的四極矩,因而 N2與沸石骨架中的陽離子之間的作用力較強[2]。目前市場上可供選擇購置的分子篩種類較多,5A(鈣A）分子篩、13X(鈉 X）分子篩是最早發(fā)現(xiàn)具有 N2/O2篩分作用的吸附劑,曾經(jīng)得到廣泛應(yīng)用,后來由于諸多問題已逐步被淘汰[3-4],近年來,隨著人們對于分子篩改性研究的深入, L iX分子篩、L iAgX分子篩等也在眾多領(lǐng)域中得到了較廣泛的應(yīng)用[5]。過去微型制氧機生產(chǎn)廠家主要靠大量制氧實驗和生產(chǎn)經(jīng)驗來確定合適的吸附劑品種,既耗時間,又增加開發(fā)成本。本文針對微型變壓吸附制氧機的吸附劑——沸石分子篩的選擇進行了靜態(tài)吸附實驗研究,找出對于氧氮分離效果較好的分子篩,從而為微型變壓吸附制氧機的吸附劑選擇提供依據(jù)。

1 實驗研究

1.1 吸附等溫線測量

實驗所用的主要設(shè)備包括:DKB-8A型電熱恒溫水槽,2ZX-2型旋片式真空泵,JCJ-800D型通用壓力變送器以及阿爾泰 USB 2010數(shù)據(jù)采集卡。實驗所用氣體純度均在 99.95%以上。

采用容量法[6]測量吸附劑對 N2和 O2的平衡吸附量,其基本原理是一定量的氣體被吸附劑吸附之后,其壓力發(fā)生變化,通過測量吸附前后壓力的變化,由物料衡算可以得到氣體在該吸附劑下的吸附量[7-9]。如圖 1所示,已知參考腔的體積為 V1,在吸附腔內(nèi)放入 m克的吸附劑,然后將氦氣通入系統(tǒng)中,通過物料衡算的方法可以確定該系統(tǒng)中自由空間的體積 V2;使用真空泵將氦氣充分脫掉,將參考腔和吸附腔置入事前已將溫度 (T）設(shè)置好的恒溫裝置中,關(guān)閉V-5,向參考腔內(nèi)通入一定壓力 (P1）的氣體 (N2或者 O2）,打開 V-5,此時氣體開始吸附,待壓力基本保持恒定,即吸附平衡之后,記錄此時的壓力 P2,則該吸附劑在溫度 T和吸附壓力 P2下的吸附量可通過物料衡算的方法,利用 C lausius—C lapyron方程即可得出,平衡吸附量:

重復(fù)上述方法若干次,即可得出該吸附劑在溫度 T下的吸附等溫線。

圖 1 吸附劑靜態(tài)平衡吸附量測量原理簡圖Fig.1 Measurem entprincip le diagram of static balance adsorp tion on adsorbent

1.2 實驗結(jié)果與分析

1.2.1 吸附等溫線

實驗分別測量了 3種沸石分子篩在 298 K、308 K和 318 K下對 N2和 O2的吸附量,并得到相應(yīng)的吸附等溫線 (圖 2～4）,并將 298 K下 3種沸石分子篩對N2和O2的吸附量進行對比 (圖 5）。

由圖 2～4可以看出,3種沸石分子篩對于 N2的吸附量均大于O2的吸附量;沸石分子篩對N2和O2的吸附量隨吸附壓力的升高而增加,并逐漸趨于穩(wěn)定,隨溫度的升高而降低,同時壓力越大,溫度的影響越明顯。

圖 2 沸石分子篩 1對N2和O2吸附等溫線Fig.2 A dsorp tion isotherm ofN2 and O2 on ZM S 1

由圖 5可以看出,沸石分子篩 1對于 N2的吸附量高于其他兩種沸石分子篩對于 N2的吸附量,而沸石分子篩 3對于這兩種氣體的吸附量均是 3種沸石分子篩中最少的;沸石分子篩 2對于 O2的吸附量是 3種沸石分子篩中最大的,沸石分子篩 1對于O2的吸附量略大于沸石分子篩 3對于O2的吸附量,但是它對N2的吸附量遠高于沸石分子篩 3對N2的吸附量。由此,我們可以初步推斷沸石分子篩 1的氧氮分離性能是 3種分子篩中最好的。

1.2.2 Langm uir特征參數(shù) q m和B的計算

從圖 2～4所呈現(xiàn)的吸附等溫線來看,3種沸石分子篩對于N2和O2的吸附等溫線均為第 I型吸附等溫線[4],因此可用 Langm uir吸附方程來描述它們。

單純氣體的Langm uir吸附等溫方程為:

其中 qm為吸附劑的飽和吸附量,B為 Langm uir吸附常數(shù)。

將Langm uir吸附等溫方程化為直線形式為:

將實驗所測的吸附等溫線經(jīng)此式處理后,線性度非常高,說明這些吸附等溫線與 Langm uir吸附方程符合得很好。由擬合出的直線的截距和斜率即可得到各吸附等溫線的Langm uir特征參數(shù) qm和B。

實驗數(shù)據(jù)通過吸附等溫方程直線形式進行線性擬合,得到的Langm uir特征參數(shù) qm和B如表1所示。

從表 1可以看出,隨著溫度的升高,3種沸石分子篩對N2和O2的飽和吸附量 qm逐漸減小,因此在低溫下用沸石分子篩來分離N2和O2比在高溫下有更好的效果。且在各溫度條件下,沸石分子篩1對于N2的飽和吸附量是 3種沸石分子篩中最大的,對于O2的飽和吸附量是介于中間的,因此我們得出沸石分子篩 1是當前實驗條件下最適合進行氮氧分離的吸附劑。同時通過對于飽和吸附量的計算,也證明了之前對于吸附等溫圖的初步推斷是正確的。

當然,沸石分子篩 1僅僅是本次實驗研究的 3種沸石分子篩中最適合用作氮氧分離的吸附劑,其對N2的吸附量以及對 O2的分離因子也并不是很大,因此繼續(xù)對吸附劑進行研究,開發(fā)和尋找更優(yōu)秀更合適的吸附劑仍是選擇微型制氧機吸附劑的重 要課題。

表 1 N2和O2在 3種沸石分子篩上的Langm uir特征參數(shù)Table 1 Langm uir characteristic param etersofN2 and O2 on 3 typesof ZM S

2 結(jié) 論

(1）3種沸石分子篩對 N2的吸附量均大于 O2的吸附量,沸石分子篩對于N2和O2的吸附量隨壓力的升高而增大并逐漸趨于恒定,隨溫度的升高而降低,并且壓力越大溫度的影響越明顯。

(2）3種沸石分子篩對于N2和O2的吸附等溫線均屬于第 I型吸附等溫線,可用Langm uir吸附方程來描述。

(3）沸石分子篩對 N2和 O2的飽和吸附量 qm隨溫度的升高而減小。在實驗研究的溫度范圍內(nèi)沸石分子篩 1對N2的飽和吸附量最大,對O2的飽和吸附量介于另外兩種分子篩之間,略高于沸石分子篩 3。因此沸石分子篩 1是本實驗條件下最適合用作微型制氧機的吸附劑。

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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

劉應(yīng)書 (1960）,男,教授,博士生導(dǎo)師,主要從事氣體分離與凈化研究,E-m ail:ysliu@ustb.edu.cn