吸附劑吸附熱的計(jì)算分析

李小榮，卜令兵，張劍鋒，楊 云，白有倩

（四川天一科技股份有限公司，成都 610225）

·工藝與設(shè)備·

吸附劑吸附熱的計(jì)算分析

李小榮，卜令兵，張劍鋒，楊 云，白有倩

（四川天一科技股份有限公司，成都 610225）

對(duì)分子篩和兩種活性炭吸附劑進(jìn)行了吸附等溫線(xiàn)測(cè)試，并利用實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行吸附熱的計(jì)算，計(jì)算結(jié)果顯示：CO的等量吸附熱隨著吸附量的增加逐漸減小，通過(guò)不同溫度下的吸附等溫線(xiàn)計(jì)算的等量吸附熱相差不大；CO在分子篩上的等量吸附熱大于在活性炭上的等量吸附熱，且對(duì)于兩種不同的活性炭對(duì)應(yīng)的等量吸附熱有較大的差異；不同的氣體在同一種吸附劑上的吸附熱大時(shí)，其對(duì)應(yīng)的吸附量不一定大；實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示了吸附過(guò)程的復(fù)雜性。

吸附劑；吸附等溫線(xiàn)；吸附熱

吸附劑是變壓吸附的核心，吸附劑的性能直接影響并決定著變壓吸附裝置的各項(xiàng)性能指標(biāo)，因此對(duì)吸附劑性能的深入研究有利于變壓吸附裝置的設(shè)計(jì)與優(yōu)化。然而在變壓吸附裝置的設(shè)計(jì)過(guò)程中人們更關(guān)注吸附劑的吸附量、分離系數(shù)、強(qiáng)度等宏觀物理指標(biāo)，而對(duì)于吸附的熱力學(xué)性能關(guān)注較少。吸附熱在吸附和脫附過(guò)程中可使吸附床層溫度發(fā)生變化，同樣會(huì)對(duì)吸附過(guò)程產(chǎn)生重要的影響。本文采用實(shí)驗(yàn)的方法測(cè)試了多組吸附等溫線(xiàn)，通過(guò)對(duì)吸附等溫線(xiàn)的擬合，得到不同溫度下的吸附等溫線(xiàn)方程，進(jìn)而求出吸附熱，并對(duì)不同氣體的吸附熱及不同吸附劑的吸附熱進(jìn)行了比較。

1 實(shí) 驗(yàn)

本試驗(yàn)采用的是美國(guó)麥克儀器公司的ASAP2050物理吸附儀，該儀器是在ASAP2020的基礎(chǔ)上開(kāi)發(fā)的可以測(cè)量從高真空到1000 kPa壓力的吸附容量，可以全自動(dòng)測(cè)量吸附和脫附過(guò)程的等溫線(xiàn)以及比表面積。

實(shí)驗(yàn)對(duì)分子篩（用A表示）、活性炭1（用B表示）和活性炭2（用C表示）三種吸附劑進(jìn)行吸附等溫線(xiàn)實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)氣體有N2、CH4和CO，氣體純度為99.99%，實(shí)驗(yàn)溫度為20℃、30℃、40℃。實(shí)驗(yàn)前對(duì)分子篩在500℃活化4 h，對(duì)活性炭在150℃活化2 h。

2 吸附熱的計(jì)算

2.1 吸附等溫線(xiàn)

目前常用的吸附等溫線(xiàn)方程有Henry方程、Langmuir方程、Freundlich方程和Langmuir-Freundlich方程［1-2］等，經(jīng)過(guò)對(duì)比，Langmuir-Freundlich方程的擬合精度更高，因此本文采用Langmuir-Freundlich。

Langmuir-Freundlich方程來(lái)源于Langmuir方程，是為了避免吸附量隨壓力無(wú)限的增加提出來(lái)的（Sipps，1948，1950；Yang，1987）：式中，q為單位質(zhì)量吸附劑的平衡吸附量；qm為單位質(zhì)量吸附劑的單層吸附量；p為吸附質(zhì)在氣體中的分壓（或濃度）；B為L(zhǎng)angmuir常數(shù)；n為常數(shù)。

采用Langmuir-Freundlich方程對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行擬合，經(jīng)過(guò)擬合后的吸附等溫線(xiàn)方程用來(lái)計(jì)算等量吸附熱。

2.2 吸附熱的計(jì)算

Clausius-Clapeyron等量吸附熱計(jì)算方程為［3］：

式中，Qd為等量吸附熱，R為氣體常數(shù)，T為吸附溫度，P為吸附壓力。由此方程可知，通過(guò)兩個(gè)不同溫度下的吸附等溫線(xiàn)在同一吸附量對(duì)應(yīng)的兩個(gè)吸附壓力值，即可求得該吸附量下的等量吸附熱。

3 結(jié)果分析

3.1 吸附熱的變化規(guī)律

圖1 CO在吸附劑B上的吸附等溫線(xiàn)Fig.1 Adsorption Isotherms of CO on the adsorbent B

圖2 CO在吸附劑B上的等量吸附熱Fig.2 Isosteric heat of adsorption of CO on the adsorbent B

圖1為CO吸附劑B上的吸附等溫線(xiàn)，圖2為CO在吸附劑B上的等量吸附熱，圖中三條曲線(xiàn)1、2、3分別是20℃和30℃、30℃和40℃、20℃和40℃的等溫線(xiàn)計(jì)算得到。由圖2可以看出，通過(guò)不同的等溫線(xiàn)計(jì)算得到的等量吸附熱相差不大，且等量吸附熱隨吸附量的增加而減小。在吸附時(shí)吸附劑上的強(qiáng)吸附位先被占據(jù)，隨著吸附的進(jìn)行，吸附質(zhì)占據(jù)較弱的吸附位，等量吸附熱會(huì)隨著吸附量的增加而有所降低。由圖1可以看出，吸附等溫線(xiàn)隨著壓力的升高，等溫線(xiàn)的斜率逐漸減小，說(shuō)明在吸附初期大部分強(qiáng)吸附位被占據(jù)。

3.2 不同氣體的吸附熱

圖3是三種不同的氣體在同一種吸附劑上的等量吸附熱曲線(xiàn)，圖4是同種氣體在不同吸附劑上的等量吸附熱曲線(xiàn)。圖5是三種氣體在同種吸附劑上的吸附等溫線(xiàn)，圖6是CO在三種吸附劑上的等溫線(xiàn)。

圖3 CO、CH4、N2在吸附劑B上的等量吸附熱Fig.3 Isosteric heats of adsorption of CO，CH4，N2on the adsorbent B

由圖3可以看出，在活性炭上的等量吸附熱的大小順序是：CO＞CH4＞N2，其中CH4與N2的等量吸附熱相差不大。而由圖5的吸附等溫線(xiàn)可知在活性炭上吸附量的順序是：CH4＞CO＞N2，其中CO與N2的吸附量相差不大。

圖4 CO在不同吸附劑上的等量吸附熱Fig.4 The isosteric heat of adsorption of CO at different adsorbents

圖5 三種氣體在吸附劑B上的等溫線(xiàn)Fig.5 Adsorbent isotherms of three kinds of gases on adsorbent B on the three kinds of adsorbents

由圖4、6可以看出CO在分子篩上的吸附熱要大于在活性炭上的吸附熱，CO在分子篩上的吸附量也大于在活性炭上的吸附量，尤其是在壓力較低時(shí)；而對(duì)于兩種活性炭，活性炭1的等量吸附熱大，對(duì)應(yīng)的吸附量卻小，并且兩種活性炭等溫線(xiàn)的形狀相差較大，活性炭1的等溫線(xiàn)更接近線(xiàn)性。

由以上數(shù)據(jù)可知，對(duì)于CO，不同類(lèi)型的吸附劑，吸附量大的，極性強(qiáng)的吸附劑的等量吸附熱較大，吸附量也較大；對(duì)于同一類(lèi)型的吸附劑，吸附量大時(shí)吸附熱不一定大；對(duì)于不同的氣體，在同一種吸附上吸附量大時(shí)吸附熱不一定大。這說(shuō)明吸附劑的吸附過(guò)程是一個(gè)相當(dāng)復(fù)雜的過(guò)程，吸附熱和吸附量的大小與吸附劑和吸附質(zhì)的性質(zhì)都有關(guān)。

圖6 CO在三種吸附劑上的等溫線(xiàn)Fig.6 Adsorbent isotherms of CO

吸附熱的大小從某種程度上說(shuō)明吸附質(zhì)解吸的難易程度，吸附熱越小，越容易解吸，因此，對(duì)同一種氣體吸附量大，同時(shí)吸附熱小的吸附劑是變壓吸附工藝所需要的，如試驗(yàn)中的活性炭1。

4 結(jié) 論

1.實(shí)驗(yàn)氣體的等量吸附熱隨著吸附量的增加而降低，且通過(guò)不同等溫線(xiàn)計(jì)算得到的等量吸附熱相差不大。

2.CO氣體在分子篩上的吸附熱大于在活性炭碳上的吸附熱，不同氣體在分子篩上的吸附量大時(shí)吸附熱不一定大。

3.CO在不同活性炭上的吸附熱和吸附量有較大差異，說(shuō)明不同吸附劑的類(lèi)型和不同的吸附劑材質(zhì)都對(duì)吸附量和等量吸附熱有很大影響，吸附是一個(gè)相當(dāng)復(fù)雜的過(guò)程。

［1］YANG Ralph T.吸附劑原理與應(yīng)用［M］.北京：高等教育出版社，2010：18-19.

［2］楊R T.吸附法氣體分離［M］.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，1991：27-35.

［3］徐龍君，顧樂(lè)觀，鮮學(xué)福.分形吸附模型［J］.煤炭轉(zhuǎn)化，2000，23（1）：90-91.

Calculation And Analysis of Adsorption Heat of Adsorbent

LIXiaorong；BU Lingbing；ZHANG Jianfeng；YANG Yun；BAIYouqian
（Sichuan Tianyi Science and Technology Co.，Ltd.，Chengdu 610225，China）

In this paper，the adsorption isotherms of amolecular sieve and two different kinds of activated carbon were tested，and the adsorption heatswere calculated according to the results of the experiments.The calculation results showed the isosteric heat of adsorption of CO decreased with the adsorption amount increasing，and the isosteric heat of adsorption which calculated by the adsorption isotherms changed little at different temperature.Adsorption heat of CO on molecular sieve was greater than the heats of adsorption on activated carbons，and there was a large difference in the adsorption heat for two different activated carbons.the adsorption heat of different gases on the same adsorbent is large；however the adsorption capacity is not necessarily large corresponding.The experiments results showed the complexity of the adsorption process.

adsorbent；adsorption isotherms；adsorption heat

TQ424

A

1007-7804（2014）03-0014-03

10.3969/j.issn.1007-7804.2014.03.004

李小榮（1979），女，理學(xué)碩士，工程師，從事變壓吸附的研究。

2014-04-16