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氣體純化的變壓吸附技術介紹

2020-02-01

氣體純化的變壓吸附技術介紹

1.什麽叫吸附?

當氣體分子運動到固體表麵上時,由於固體表麵原子剩餘引力的作用,氣體中的一些分子便會暫時停留在固體表麵上,這些分子在固體表麵上的濃度增大,這種現象稱為氣體分子在固體表麵上的吸附。吸附物質的固體稱為吸附劑,被吸附的物質稱為吸附質。按吸附質與吸附劑之間引力場的性質,吸附可分為化學吸附和物理吸附。

2.氣體分離的原理是什麽?

當氣體是混合物時,由於固體表麵對不同氣體分子的引力差異,使吸附相的組成與氣相組成不同,這種氣相與吸附相在密度上和組成上的差別構成了氣體吸附分離技術的基礎。

伴隨吸附過程所釋放的熱量叫吸附熱,解吸過程所吸收的熱量叫解吸熱。氣體混合物的吸附熱是吸附質的冷凝熱和潤濕熱之和。不同的吸附劑對各種氣體分子的吸附熱均不相同。

氣體純化方法

3.什麽叫化學吸附?什麽叫物理吸附?

化學吸附:即吸附過程伴隨有化學反應的吸附。在化學吸附中,吸附質分子和吸附劑表麵將發生反應生成表麵絡合物,其吸附熱接近化學反應熱。化學吸附需要一定的活化能才能進行。通常條件下,化學吸附的吸附或解吸速度都要比物理吸附慢。石灰石吸附氯氣,沸石吸附乙烯都是化學吸附。

物理吸附:也稱範德華(van der Waais) 吸附,它是由吸附質分子和吸附劑表麵分子之間的引力所引起的,此力也叫作範德華力。由於固體表麵的分子與其內部分子不同,存在剩餘的表麵自由力場,當氣體分子碰到固體表麵時,其中一部分就被吸附,並釋放出吸附熱。在被吸附的分子中,隻有當其熱運動的動能足以克服吸附劑引力場的位能時才能重新回到氣相,所以在與氣體接觸的固體表麵上總是保留著許多被吸附的分子。由於分子間的引力所引起的吸附,其吸附熱較低,接近吸附質的汽化熱或冷凝熱,吸附和解吸速度也都較快。被吸附氣體也較容易地從固體表麵解吸出來,所以物理吸附是可逆的。物理吸附通常分為變溫吸附和變壓吸附。

4.變壓吸附屬化學吸附還是物理吸附?

分離氣體混合物的變壓吸附過程係純物理吸附,在整個過程中沒有任何化學反應發生。

5.變壓吸附常用吸附劑有哪幾種?他們各自的作用是什麽?

變壓吸附常用的吸附劑有:矽膠、活性氧化鋁、活性炭、分子篩等,另外還有針對某種組分選擇性吸附而研製的吸附材料。氣體吸附分離成功與否,很大程度上依賴於吸附劑的性能,因此選擇吸附劑是確定吸附操作的首要問題。

矽膠是一種堅硬、無定形鏈狀和網狀結構的矽酸聚合物顆粒,分子式為SiO2.nH2O,為一種親水性的極性吸附劑。它是用硫酸處理矽酸鈉的水溶液,生成凝膠,並將其水洗除去硫酸鈉後經幹燥,便得到玻璃狀的矽膠,它主要用於幹燥、氣體混合物及石油組分的分離等。工業上用的矽膠分成粗孔和細孔兩種。粗孔矽膠在相對濕度飽和的條件下,吸附量可達吸附劑重量的80%以上,而在低濕度條件下,吸附量大大低於細孔矽膠。

活性氧化鋁是由鋁的水合物加熱脫水製成,它的性質取決於最初氫氧化物的結構狀態,一般都不是純粹的Al2O3,而是部分水合無定形的多孔結構物質,其中不僅有無定形的凝膠,還有氫氧化物的晶體。由於它的毛細孔通道表麵具有較高的活性,故又稱活性氧化鋁。它對水有較強的親和力,是一種對微量水深度幹燥用的吸附劑。在一定操作條件下,它的幹燥深度可達露點-70℃以下。

活性炭是將木炭、果殼、煤等含碳原料經炭化、活化後製成的。活化方法可分為兩大類,即藥劑活化法和氣體活化法。藥劑活化法就是在原料裏加入氯化鋅、硫化鉀等化學藥品,在非活性氣氛中加熱進行炭化和活化。氣體活化法是把活性炭原料在非活性氣氛中加熱,通常在700℃以下除去揮發組分以後,通入水蒸氣、二氧化碳、煙道氣、空氣等,並在700~1200℃溫度範圍內進行反應使其活化。活性炭含有很多毛細孔構造,所以具有優異的吸附能力。因而它用途遍及水處理、脫色、氣體吸附等各個方麵。

沸石分子篩又稱合成沸石或分子篩,其化學組成通式為:

[M(Ⅰ)M(Ⅱ)]O.Al2O3.nSiO2.mH2O

式中M(Ⅰ)和M(Ⅱ)分別為為一價和二價金屬離子,多半是鈉和鈣,n稱為沸石的矽鋁比,矽主要來自於矽酸鈉和矽膠,鋁則來自於鋁酸鈉和Al(HO)3等,它們與氫氧化鈉水溶液反應製得的膠體物,經幹燥後便成沸石,一般n=2~10,m=0~9。

沸石的特點是具有分子篩的作用,它有均勻的孔徑,如3A0、4A0、5A0、10A0細孔。有4A0孔徑的4A0沸石可吸附甲烷、乙烷,而不吸附三個碳以上的正烷烴。它已廣泛用於氣體吸附分離、氣體和液體幹燥以及正異烷烴的分離。

碳分子篩實際上也是一種活性炭,它與一般的碳質吸附劑不同之處,在於其微孔孔徑均勻地分布在一狹窄的範圍內,微孔孔徑大小與被分離的氣體分子直徑相當,微孔的比表麵積一般占碳分子篩所有表麵積的90%以上。碳分子篩的孔結構主要分布形式為:大孔直徑與碳粒的外表麵相通,過渡孔從大孔分支出來,微孔又從過渡孔分支出來。在分離過程中,大孔主要起運輸通道作用,微孔則起分子篩的作用。

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