富柴油中萘的吸附分離研究

吳仲華, 王祝敏, 鄭維濤, 王 帥

(沈陽化工大學化學工程學院,遼寧沈陽 110142)

在焦化廠產生的焦爐煤氣和煤焦油中含有大量的萘,隨著焦爐煤氣和煤焦油凈化過程中溫度的降低,萘會結晶析出,附著在設備管道壁上,堵塞管道.為此一般焦化廠用輕柴油清洗管道.用過之后的輕柴油由于萘含量高出國家標準,成為富柴油.目前,對于將富柴油中萘分離的方法,研究報道極少,富柴油的處理基本上都是以極低的價格賣出.本文根據富柴油中萘和柴油極性不同的原理,選用一種固體吸附劑將萘分離,達到柴油循環使用的目的.研究所得的數據將為實際生產提供依據,具有很大的經濟效益.

1 實驗部分

1.1 儀器與試劑

HZS-H水浴振蕩器 (哈爾濱市東聯電子技術開發有限公司);BS210S電子天平(北京賽多利斯天平有限公司);安捷倫 6890N氣相色譜儀(美國安捷倫科技公司);自制固定床吸附柱;萘、吸附劑(國藥集團化學試劑有限公司);輕柴油.

1.2 測定方法

萘的測定方法參照文獻[1]用氣相色譜法,檢測萘的峰值,計算萘的含量.

1.3 平衡吸附實驗

在一組錐形瓶中分別加入一定質量的吸附劑和一定濃度、體積的含萘柴油,在 293 K、303 K下,在水浴振蕩器中振蕩 30 min,吸附平衡后,用氣相色譜檢測萘的峰值,得出萘的含量,根據公式計算平衡吸附量:

式中,q—平衡吸附量,mg/g;VL—溶液體積,L; ρ0—吸附前的質量濃度,mg/L;ρe—平衡時的質量濃度,mg/L;mA—吸附劑的質量,g.

1.4 固定床突破實驗

在自制固定床吸附柱內填充一定高度的吸附劑,溶液以一定流量從高位槽流下通過床層,實時分析不同時間流出液濃度,流出液濃度由氣相色譜檢測.考察流量、濃度對突破時間的影響,繪制突破曲線.

1.5 吸附劑再生

由于萘能隨水蒸氣揮發,因此,脫附實驗采用向固定床通水蒸氣的方法[2],使吸附劑達到再生的目的.再生后重新做固定床突破實驗,將吸附–脫附重復多次考察再生率.

2 結果與討論

2.1 吸附等溫線

圖1為在 293 K、303 K,初始萘溶液質量濃度為 1 000 mg/L,加入不同質量的吸附劑,吸附時間為 30 min條件下,吸附平衡質量濃度與平衡吸附量的關系圖.

圖1 萘的吸附等溫線Fig.1 Adsorption isotherms of adsorbent for naphthalene

由圖 1可見:吸附劑對富柴油中萘的吸附量隨著溫度的增加而降低,符合吸附的一般規律,即吸附是放熱過程,升溫不利于吸附.吸附劑對萘的吸附等溫線類型屬于多分子層的物理吸附[3],因此,采用BET等溫吸附方程對等溫線進行擬合,BET等溫吸附方程為:

q—吸附量,mg/g;qm—單分子層吸附容量,mg/ g;y—流體為氣相時,y為吸附質的分壓,當流體為液相時,y為吸附質的摩爾分數;y0—流體為氣相時,y0為飽和蒸汽壓,當流體為液體時,y0為溶解度摩爾分數;c—常數;n—吸附層數.

擬合結果如圖 2所示,BET方程中的參數見表 1.由表 1可見,BET吸附等溫方程能夠較好地描述萘在吸附劑上的吸附行為.在 293 K時qm較大,說明溫度越低吸附越好;吸附層數 n大于 2,說明吸附劑對富柴油中萘的吸附是多層的物理吸附.

圖2 BET擬合曲線Fig.2 BET fitting curve

表1 BET吸附等溫方程Table 1 Isother ms equation ofBET

2.2 固定床穿透實驗

(1)不同流量下的穿透曲線

由圖 3可以看出:流量為 110 mL/h時,在25 min左右固定床達到穿透點,而流量是 50 mL/h時,穿透點的時間延長到了 50 min左右.由此可以得到萘在不同流量下穿透曲線的規律:穿透時間隨著流量的增大而減小;穿透曲線幾乎關于曲線上的“半濃度”點對稱.

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

(2)不同質量分數下的穿透曲線

通過固定床的萘溶液的質量分數分別是4.5%和 2.8%,控制流量為 90 mL/h,溫度為室溫,繪制萘溶液不同質量分數的穿透曲線 (見圖 4).由圖 4可以看出:在溫度、流量一定的情況下,穿透點與溶液質量分數有很大關系[4-5]:一般溶液的質量分數高時穿透過程進行得較快,穿透時間變短.

圖4 不同質量分數的穿透曲線Fig.4 Penetration curve of different concentration for the adsorption

2.3 再生后的吸附實驗

向固定床通入 0.5 MPa、150℃的水蒸氣對吸附劑進行再生.再生次數與再生效率的關系如圖5所示.

圖5 再生次數與再生效率的關系Fig.5 The relationship between regeneration t imes and regeneration efficiency

由圖 5可以看出:經過 3次再生實驗后,吸附劑的吸附性能略有下降,但 3次的再生效率基本不變,大約均為 95%.

3 結 論

(1)所選用的吸附劑能夠有效地吸附富柴油中的萘,吸附等溫線符合BET吸附等溫方程,是多層吸附,具有明顯的物理吸附特征.

(2)由突破曲線可以看出,濃度、流速都對突破曲線有影響,較大的濃度和較高的進料流速,都能使固定床更快突破.

(3)被萘飽和的固定床可采用水蒸氣法再生,再生率幾乎不變,再生后的吸附效率為95%左右.

[1] 齊婳,胡建軍,王華蘭,等.氣相色譜法檢測脫萘循環油中萘含量[J].燃料與化工,2006,37(3):40-41.

[2] 寧平,陳亞維,谷俊杰.固定床吸附器水蒸氣解吸過程研究[J].化學工程,2000,28(5):15-17.

[3] 蔣維鈞,雷良恒,劉茂林,等.化工原理.下冊[M]. 2版.北京:清華大學出版社,2003:403-404.

[4]張海珍.大孔樹脂在處理含芳香族化合物廢水中的應用研究[D].南京:河海大學,2006.

[5] 郭利妍,沈軍,王海榮,等.活性炭纖維吸附廢水中酚的研究[J].工業用水與廢水,2007,38(3):70-73.