结构化固定床吸附动力学及其应用研究

发布时间：2016-11-27 15:02

  本文关键词：结构化固定床吸附动力学及其应用研究，由笔耕文化传播整理发布。

《华南理工大学》 2014年

结构化固定床吸附动力学及其应用研究

周宇  

【摘要】：分离与净化技术在化工、医药、食品、环境以及建筑等领域占据着重要的地位。随着科学技术的发展，大众的物质和生活水平得到了极大的丰富和提高，但伴随着的环境和健康等问题也在加剧。其中，挥发性有机化合物（VOCs）作为一类最典型的工业排放污染物，对人类健康和生态环境造成的巨大危害已经愈发引人关注，与之相关的净化技术是全世界科学工作者的研究焦点。同时，液化石油气（LPG）作为一种重要的化工原料，如何高效地分离其中的烃类并降低硫含量，也是近年来研究的热点之一，特别是以LPG为原料进行分离提纯得到高纯丙烷用于制备绿色制冷剂R290，是一项既具有理论意义又具有工程应用价值的前沿课题。传统的固定床存在传质效率低、传质阻力大、床层利用率低的问题，近年来研究较多的结构化固定床可以较好地解决上述问题。当前有关结构化固定床的应用研究有很多，但是鲜见有研究者建立数学模型模拟结构化固定床上的吸附过程。本文较为详细地综述了固定床吸附法在VOCs净化与LPG分离提纯中的应用，研究了LPG中硫组分和烃类组分在固定床上的吸附动力学，以及以甲苯为代表的VOCs在结构化固定床上的吸附动力学，同时建立了一种结构化固定床吸附动力学模型，分析并探讨了结构化固定床吸附动力学及吸附传质机理。 首先，研究了LPG中硫组分在固定床上的吸附动力学，通过比较相同实验条件下，硫组分在装填不同吸附剂的固定床上的透过曲线，对脱硫剂进行性能评价；运用Yoon-Nelson模型、Bed Depth Service Time（BDST）模型以及Adam’s-Bohart模型对吸附透过曲线进行线性回归分析。实验结果表明，，设定硫组分的出口浓度为2ppm时对应的时间为透过时间，13X分子筛的透过时间达到了32min，脱硫性能最佳。Yoon-Nelson和BDST模型的线性拟合结果与实验数据相当吻合。 其次，研究了LPG中丙烷、正丁烷以及异丁烷在活性炭固定床上的多组分吸附动力学，分别考察了体积流率，床层长度以及吸附温度对三种烃类组分在活性炭固定床上吸附透过曲线的影响规律，并对多组分竞争吸附的机制进行了探讨。实验结果表明，随着气体体积流率的增大，三种组分的吸附波均会前移，透过点均提前，透过时间减少，透过曲线的斜率也有所增大；随着床层长度的增大，透过时间和吸附剂达到吸附饱和的时间会变长，吸附过程持续时间变长；升高温度不利于活性炭对正丁烷和异丁烷的吸附。多组分间竞争机制：“孔堵塞”效应、基于吸附质分子极性等物性的竞争吸附以及基于吸附质饱和蒸汽压的竞争吸附，可以解释活性炭对多组分分子吸附的选择性正丁烷＞异丁烷＞丙烷。 最后，运用传质守衡和线性推动力方程，建立了一种基于表面扩散和孔扩散控制的结构化固定床数学模型；通过无效层厚度（Lengthofunusedbed,LUB）理论计算并分析了不同床层结构的LUB值；采用Adam’s-Bohart经验模型对甲苯在结构化固定床上的吸附透过曲线作线性回归分析，分别计算了三种床层结构在相同实验条件的Adam’s-Bohart模型参数。实验结果表明模型计算的结果和实验结果吻合，该模型可以预测VOCs在结构化固定床吸附动力学。甲苯在装填有活性炭纤维的结构化固定床的吸附透过曲线斜率更大，且透过曲线斜率随着活性炭纤维装填比例的增大而增大，甲苯在床层内传质速率增大，对甲苯的吸附容量减小。活性炭纤维的加入可以减小LUB值，随着活性炭纤维装填比例的增大，LUB值随之减小。ln C/C0对t得到的拟合直线与实验数据较为吻合，活性炭纤维的加入会使传质系数k AB变大，吸附容量N0减小，能够增大吸附质气体在床层中的传质速率，降低床层压降。

【关键词】：
【学位授予单位】：华南理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2014
【分类号】：O647.3
【目录】：

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