黨璐璐,劉應書,張 輝,李 虎,王海鴻,賈彥翔

(北京科技大學機械工程學院,北京 100083）

·工藝與設備·

微波與水浴加熱條件下對沸石分子篩吸附量的對比研究①

黨璐璐,劉應書,張 輝,李 虎,王海鴻,賈彥翔

(北京科技大學機械工程學院,北京 100083）

為了研究微波作用對沸石分子篩吸附的影響與特點,采用靜態(tài)吸附容量法,對比研究了微波與水浴兩種加熱條件下沸石分子篩的吸附量。實驗結果表明:在相同的加熱溫度下,與水浴加熱相比,微波加熱能夠快速加熱分子篩,極大地縮短了加熱時間;在相同的溫度與壓力條件下,與水浴加熱相比,微波作用下分子篩吸附量總是更低。這表明微波加熱沸石分子篩,除了熱效應以外,可能還存在減弱沸石分子篩對氣體的吸附作用的非熱效應。研究結果可為吸附劑微波解吸的研究提供參考。

微波加熱;沸石分子篩;靜態(tài)吸附;吸附量;解吸

19世紀 40年代,國外研究人員發(fā)現(xiàn)微波的熱效應,為微波技術應用開辟了新領域[1]。近年來,在氣體吸附分離領域,微波技術得到了廣泛應用。一方面,由于微波輻射對晶體結構、孔徑分布等方面產(chǎn)生影響,利用微波改性與制備分子篩有了深入的研究與開發(fā)[2]。另一方面,利用微波加熱使得吸附劑解吸與再生也有了一定的研究[3]。

與傳統(tǒng)的由外及內(nèi)的熱傳導式加熱不同,微波加熱從物質內(nèi)部加熱,具有加熱速度快、溫度均勻、節(jié)能高效等優(yōu)點[4]。微波加熱物質的原理是,微波產(chǎn)生的高頻交變磁場使得物質內(nèi)部的分子極化,并隨著磁場方向的改變高速振蕩,從而加劇了分子的熱運動,微波能量轉化為分子內(nèi)能,使得物質溫度升高,這就是微波的熱效應,也稱為溫度效應。此外,分子極化后,其高速振蕩破壞了分子間的作用力,使得分子更易分離,人們稱其為微波的非熱效應[5]。

微波輻射加熱吸附劑時,一方面,微波熱效應導致吸附劑溫度升高,使氣體吸附質解吸;另一方面,微波非熱效應可能會削弱吸附劑束縛氣體吸附質的能力,進一步促進吸附劑的再生。在微波強化吸附劑解吸再生方面,國內(nèi)外均有研究報道[6]。但是由于微波對解吸的作用機理,特別是對于微波熱效應與非熱效應之間的作用原理還存在爭議,這在一定程度上限制了微波在吸附劑再生方面的研究與應用[7]。

本文采用靜態(tài)吸附容量法[8],分別通過微波加熱與水浴加熱,在相同熱溫度下測定沸石分子篩對氮氣的吸附量,以期探究微波加熱和水浴加熱對分子篩吸附量的影響。

1 實驗研究

1.1 實驗系統(tǒng)與裝置

實驗系統(tǒng)如圖 1所示。系統(tǒng)由氣源、緩沖罐、緩沖腔、吸附腔、控制閥門 (閥 1～3）、真空泵、測量系統(tǒng)和加熱系統(tǒng)等組成。測量系統(tǒng)由壓力傳感器、溫度傳感器以及數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)組成;吸附腔內(nèi)裝有一定量的沸石分子篩;加熱器分別為微波爐與水浴恒溫箱。

圖 1 分子篩靜態(tài)吸附量測量系統(tǒng)示意圖Fig.1 The schem atic diagram of adsorp tion m easurem ent system formo lecu lar sieves

實驗采用高純氮氣 (99.999%）作為吸附氣體。本文所測定的分子篩吸附量即為沸石分子篩吸附氮氣的量。沸石分子篩對微波具有吸收性,在微波作用下有明顯的溫度效應[9]。實驗用沸石分子篩的物性參數(shù)見表 1。

實驗中裝填分子篩的吸附腔為石英玻璃材質,石英對微波具有透過性,不吸收微波,作為加熱容器也具有良好的耐熱性[10]。

表 1 實驗用沸石分子篩參數(shù)Table 1 The param etersof zeolitemolecular sieves

實驗中所用到的微波加熱裝置為湖南長沙隆泰微波熱工公司設計制造的WG1/2.45-Ф5.454型微波管式爐,功率在 50～1000W連續(xù)可調;水浴加熱所采用的裝置為DKB-8A型電熱恒溫水槽,功率為 1500W,能夠實現(xiàn)室溫到 70℃的連續(xù)調節(jié)。

1.2 實驗流程及原理

實驗管路分為兩部分,閥 1與閥 2之間的緩沖腔體積為V1;閥 2與閥 3之間的吸附腔除去分子篩所占的體積定為 V2。采用靜態(tài)吸附容量法進行測量與計算[8]。

實驗前用惰性氣體 He對 V1和 V2進行標定。對管路抽真空后用 He進行兩次清洗,再抽真空。關閉閥 2與閥 3,打開閥 1,充入一定壓力的 He,關閉閥 1,記錄此時的壓力 P1。打開閥 2,V1與V2連通平衡后,記錄此時的壓力 P2。在室溫下,根據(jù)理想氣體狀態(tài)方程得到式 (1）。

式中,Q為單位質量分子篩吸附量,μmo l/g;m為分子篩質量,g;R為通用氣體常量,8.314 J/ (mol·K）。

1.3 實驗內(nèi)容

首先,分別用微波與水浴加熱沸石分子篩至一定溫度,加熱溫度選擇 40、50、60℃。然后在該溫度下,選擇不同的進氣壓力測量分子篩的吸附量,進氣壓力為 30、40、50、60、70、80 kPa。最后將相同的加熱溫度與進氣壓力下,微波與水浴兩種加熱方式下的分子篩吸附量進行對比。

2 結果與分析

2.1 分子篩升溫

考察在采用微波加熱和水浴加熱條件下,沸石分子篩的升溫過程。圖 2給出了兩種加熱方式下分子篩溫度隨時間變化的升溫曲線。其中微波加熱是以恒定功率 50W進行加熱,而水浴加熱則是先將水箱溫度調至 50℃,再將分子篩放入水浴中加熱。由圖 2可以看出,無論是微波加熱還是水浴加熱,分子篩溫度的升高與時間呈線性關系,但是兩種加熱方式下分子篩的升溫速率則相差很大。微波加熱時,以恒定功率 50W加熱 60 s,分子篩溫度即可達到 50℃;而分子篩在水浴中則需要 20m in的加熱時間,溫度才能夠達到設定值。

水浴加熱屬于常規(guī)的由外及內(nèi)熱傳導式加熱,能量的傳遞需要一個過程。而微波加熱是從物質內(nèi)部加熱,將微波能直接有效地轉化為分子熱動能。因此與常規(guī)水浴加熱相比,微波能夠快速地加熱分子篩,極大地縮短了加熱時間,同時也降低了能耗。

圖 2 分子篩加熱至 50℃的升溫曲線Fig.2 The heating curve ofmo lecu lar sieves from room temperature to 50℃

2.2 分子篩吸附量對比

首先考察在吸附壓力固定而溫度不同時,微波加熱與水浴加熱方式下的沸石分子篩吸附量,得到吸附等壓曲線。圖 3為吸附壓力 P2為 15.5 kPa時,兩種加熱方式下的分子篩吸附量隨溫度變化的曲線。其中微波加熱與水浴加熱都能夠維持分子篩溫度穩(wěn)定。由圖 3可以看出,兩種加熱方式下的分子篩吸附等壓曲線都隨著分子篩溫度的升高而降低。但是兩種加熱方式下的分子篩吸附量并不相同,微波加熱下的分子篩吸附量始終低于水浴加熱下的分子篩吸附量。

根據(jù)實驗條件,選擇了 40、50、60℃三個溫度點,在溫度恒定、吸附壓力不同的情況下測量兩種方式的分子篩吸附量。圖 4為分別用微波與水浴加熱分子篩至恒定溫度,兩種加熱方式下分子篩吸附量隨吸附壓力變化的曲線。

圖 3 分子篩吸附量隨溫度變化曲線Fig.3 The static adsorp tion capacity of zeo lite under different temperature

圖 4 兩種加熱方式下分子篩吸附量隨吸附壓力變化曲線Fig.4 The static adsorp tion capacity of zeolite under differentpressure

由圖 4可以看出,微波與水浴加熱方式下的分子篩吸附量變化趨勢都是隨著壓力的升高而增大,但是相同狀態(tài)下分子篩吸附量并不相同。對比圖 4中分子篩溫度 T為 40℃時,兩種加熱分子篩的吸附量隨吸附壓力變化的曲線,可以看出在較低的吸附壓力下,兩種加熱方式下的分子篩吸附量相差不大,但是隨著吸附壓力的升高,兩種加熱方式下的分子篩吸附量差開始增大,且水浴加熱時的分子篩吸附量要高于微波加熱時的分子篩吸附量。溫度升高后 (達到 50℃和 60℃）,這種趨勢依然相同。

由氣相吸附等溫線可知,加壓降溫有利于吸附劑對吸附質的吸附;反之,降壓升溫有利于吸附劑的解吸[11]。因此在圖 3、4中,分子篩吸附量的變化趨勢是隨溫度的升高而降低,隨吸附壓力的升高而增大。

通過以上分析可知,即使壓力等參數(shù)發(fā)生變化,吸附量總是隨溫度的增加而減少,且在相同加熱溫度下,微波加熱時吸附量總是低于水浴加熱的吸附量。吸附量隨溫度的增加而減少是吸附劑等溫線所表現(xiàn)出的基本特性,本實驗的結果說明本文所設計的實驗條件是合理的。而微波加熱下的分子篩吸附量總是低于水浴加熱下的分子篩吸附量,說明微波加熱比水浴加熱對吸附劑吸附量的影響更顯著,其可能原因是微波加熱具有非熱效應。這種非熱效應減弱了沸石分子篩對氣體的吸附作用,致使在相同溫度下,微波非熱效應使得微波作用下的分子篩吸附量要低于水浴加熱下的分子篩吸附量。

3 結 論

在實驗條件下,研究了微波與水浴兩種加熱方式對沸石分子篩吸附氮氣量的影響,得到了以下結論:

1.與常規(guī)水浴加熱相比,微波加熱能夠快速地加熱分子篩,極大地縮短了加熱時間。

2.在相同的溫度與壓力條件下,與水浴加熱相比,微波加熱下的沸石分子篩吸附曲線總是處于下方,微波作用下分子篩吸附量更低。

3.微波加熱沸石分子篩,除了熱效應以外,可能還存在減弱沸石分子篩對氣體的吸附作用的非熱效應。

[1]金欽漢.微波化學 [M].北京:科學出版社,1999.

[2]李偉,陶克毅,李赫.微波技術在分子篩催化劑中的應用 [J].石油化工,1998,27(9）:691-694.

[3]CHERBANSK IR,MOLGA E.Intensification of desorp tion processes by use ofm icrowaves-An overview of possib le app lications and industrialperspectives[J].Chem ical Engineering and Processing,2009(48）:48-58.

[4]趙克玉,許福永.微波原理與技術 [M].北京:高等教育出版社,2006.

[5]曾后生,許利琴,帥敏,等.淺談我國微波技術應用現(xiàn)狀及前景 [J].九江師專學報,2001(6）:82-88.

[6]韓金根,靳新華,計莉婷,等.微波輻射對分子篩再生活化的影響 [J].化學世界,1996 (11）:571-573.

[7]KUO Chao-Yin.Deso rp tion and re-adso rp tion of carbon nano tubes:Com parisons of sod ium hyd roxide and m icrowave irradiation processes[J].Journalof HazardousMaterials,2008(152）:949-954.

[8]Yang R T.Gas Separation by Adsorp tion Processes[M]. Butterworth Pub lishers,1987:94-95.

[9]PA ISM,NEWALKAR B L,CHOUDARY N V.M icrowave-hydrotherm al synthesis and characterization of silicoalum inophosphatemolecu lar sieve:SSZ-51[J].M icroporous and Mesoporous Materials,2008 (112）:357-367.

[10]盧凱.微波的原理及特點 [J].農(nóng)業(yè)機械化與電氣化,2007(1）:61-62.

[11]甘尉棠.現(xiàn)代化工分離技術講座 [J].精細石油化工,2004(4）:63-64.

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

黨璐璐 (1984）,女,籍貫:青海省同德縣。碩士,現(xiàn)就讀于北京科技大學機械工程學院動力工程及工程熱物理專業(yè),研究方向:小型變壓吸附制氧機與微波技術再生吸附劑。