绿色制冷剂R290在结构化固定床上的分离提纯工艺研究

发布时间：2017-07-06 08:14

  本文关键词：绿色制冷剂R290在结构化固定床上的分离提纯工艺研究

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【摘要】：自20世纪90年代以来,环境问题日益突出,特别是臭氧层破坏和全球气候变化,保护臭氧层和减缓温室效应是当前环境保护的主要任务之一。目前,制冷空调热泵行业广泛采用含卤化合物作为制冷剂,不仅对臭氧层有破坏作用,而且加剧温室效应,这使得制冷行业面临严峻挑战。近年来,寻求含卤制冷剂的理想替代品已成为研究热点之一。碳氢化合物作为天然冷媒已受到广泛关注,其中制冷剂R290(高纯丙烷,纯度99.5%以上),对环境友好无公害,而且制冷能效高,是理想的新型绿色制冷剂。以相对廉价的液化石油气(liquefied petroleum gas,LPG)为原料,高效地分离提纯出高纯度的丙烷以制备绿色制冷剂R290是一项既具有理论意义又有潜在经济效益的前沿性课题。固定床吸附以其操作灵活、气体处理量大等优点而广泛应用于轻烃分离,但是也存在诸如床层压降大,传质效率低等不足。因此,开发新型高效低阻的吸附材料并设计基于此材料的结构化固定床吸附器,用以强化传质速率和降低床层压降,是一项应用具有工业应用价值的研究课题。本文制备了微纤包覆活性炭材料,研究了LPG中各烃类组分和空气中低浓度甲烷在传统颗粒固定床以及基于微纤包覆活性炭的结构化固定床上的吸附行为,探究了绿色制冷剂R290在结构化固定床上的分离提纯工艺技术。首先,研究了LPG中甲烷、乙烷、丙烷、异丁烷和正丁烷在颗粒分子筛4A、5A、13X和NaY以及活性炭填装的固定床上的吸附透过曲线,探讨了LPG中丙烷、异丁烷和正丁烷在活性炭颗粒固定床上的吸附动力学,运用Yoon-Nelson模型、无效层厚度(Length of unused bed,LUB)方程对吸附透过曲线进行分析。结果表明,LPG中的甲烷和乙烷在上述5种颗粒固定床吸附器内未能被有效地分离与脱除;除5A分子筛之外的吸附剂都能把LPG中的异丁烷和正丁烷分离出来,其中装填了颗粒活性炭的固定床对正丁烷和异丁烷的吸附容量最大,无效床层长度最小;Yoon-Nelson模型拟合结果的相关系数高于0.98,与实验数据相当吻合。其次,以不锈钢纤维、针叶木纤维和颗粒活性炭(150-200μm)为原料,采用湿法造纸工艺和高温烧结技术制备了微纤包覆活性炭材料,表征了此包覆材料的包覆率、微观结构和孔结构;通过在颗粒活性炭固定床的出口端装填一定比例的微纤包覆活性炭材料设计了结构化固定床,研究了LPG中丙烷、异丁烷和正丁烷在结构化固定床上的吸附动力学;运用Yoon-Nelson模型和LUB方程对吸附透过曲线进行分析。结果表明,烧结锁定的金属纤维形成具有大空隙率的三维网状结构,烧结前后的颗粒活性炭孔结构参数变化不大;相比于在颗粒活性炭固定床上的吸附透过曲线,在相同的条件下LPG中丙烷、异丁烷和正丁烷在结构化固定床的吸附透过曲线的斜率变大,且微纤包覆活性炭的装填比例越大,透过曲线的斜率越大;同一吸附质在不同床层高度的结构化固定床上吸附透过曲线呈现相似的“S”曲线;提高原料气流速亦能增大LPG中丙烷、异丁烷和正丁烷在结构化固定床上的吸附透过曲线的斜率;Yoon-Nelson模型能用来预测LPG中丙烷、异丁烷和正丁烷在结构化固定床的吸附速率常数KYN和50%透过时间t0.5。最后,以空气中104 ppm甲烷为研究对象,研究了其在活性炭颗粒固定床以及结构化固定床上的吸附动力学;运用Yoon-Nelson模型和LUB方程对吸附透过曲线进行分析。研究结果表明,床层长度和原料气流速对空气中低浓度甲烷的吸附透过曲线的影响与对LPG中各烃类组分的影响规律一致;结构化固定床具有强化传质速率的特征,装填了微纤包覆活性炭材料的结构化固定床的床层利用率相对于传统活性炭颗粒固定床的提高了19%-32%;Yoon-Nelson模型亦能用来预测空气中低浓度甲烷在固定床的吸附速率常数KYN和50%透过时间t0.5。
【关键词】：LPG 制冷剂R290 微纤包覆活性炭材料 结构化固定床 吸附透过曲线
【学位授予单位】：华南理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TB64;TQ028
【目录】：

• 摘要5-7
• ABSTRACT7-13
• 第一章 绪论13-36
• 1.1 引言13-14
• 1.2 制冷剂与环境保护14-16
• 1.2.1 制冷剂的发展历程14-16
• 1.2.2 碳氢制冷剂16
• 1.3 LPG来源及其分离提纯技术16-23
• 1.3.1 LPG的来源17-18
• 1.3.2 LPG分离提纯技术现状18-23
• 1.4 吸附工艺与技术23-30
• 1.4.1 吸附剂23-27
• 1.4.2 吸附装置27-29
• 1.4.3 吸附工艺29-30
• 1.5 固定床吸附动力学30-33
• 1.5.1 吸附动力学与吸附透过曲线30-32
• 1.5.2 吸附动力学32
• 1.5.3 吸附动力学模型32-33
• 1.6 本论文的研究意义、研究内容与创新点33-36
• 1.6.1 研究意义33-34
• 1.6.2 研究内容34-35
• 1.6.3 创新点35-36
• 第二章 实验部分36-40
• 2.1 实验原料、仪器及流程图36-38
• 2.1.1 实验原料36-37
• 2.1.2 实验仪器37
• 2.1.3 实验流程图37-38
• 2.2 微纤包覆活性炭材料的制备38-39
• 2.3 微纤包覆活性炭材料的表征39-40
• 第三章 LPG中烃类组分在固定床上的吸附动力学40-53
• 3.1 引言40-41
• 3.2 分子筛和活性炭的孔结构表征41-43
• 3.3 LPG中烃类组分在不同颗粒固定床上的吸附透过曲线43-48
• 3.4 LPG中丙烷、异丁烷和正丁烷在活性炭颗粒固定床上的吸附动力学48-52
• 3.4.1 不同床层长度48
• 3.4.2 不同原料气流速48-50
• 3.4.3 YOON-NELSON模型拟合50-52
• 3.5 本章小结52-53
• 第四章 LPG中丙烷、异丁烷和正丁烷在结构化固定床上的吸附动力学53-70
• 4.1 引言53-54
• 4.2 微纤包覆活性炭材料的制备与表征54-58
• 4.2.1 微纤包覆活性炭材料的制备54
• 4.2.2 微纤包覆活性炭材料的表征54-58
• 4.3 丙烷、异丁烷和正丁烷在结构化固定床上的吸附动力学58-61
• 4.3.1 不同床层结构58-59
• 4.3.2 不同床层高度59-60
• 4.3.3 不同原料气流速60-61
• 4.4 结构化固定床动态吸附模型拟合61-68
• 4.4.1 YOON-NELSON模型62-66
• 4.4.2 无效床层厚度66-68
• 4.5 本章小结68-70
• 第五章 空气中微量甲烷的吸附脱除70-81
• 5.1 引言70-71
• 5.2 空气中低浓度甲烷在固定床上的吸附动力学71-72
• 5.2.1 不同床层长度71-72
• 5.2.2 不同原料气流速72
• 5.3 空气中低浓度甲烷在结构化固定床上的吸附动力学72-76
• 5.3.1 不同床层结构73-74
• 5.3.2 不同床层长度74-75
• 5.3.3 不同原料气流速75-76
• 5.4 结构化固定床动态吸附模拟76-79
• 5.4.1 YOON-NELSON模型76-78
• 5.4.2 无效床层厚度78-79
• 5.5 本章小结79-81
• 结论81-83
• 参考文献83-89
• 攻读硕士学位期间取得的研究成果89-90
• 致谢90-91
• 答辩委员会对论文的评定意见91

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本文编号：525395