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活性炭 在油气回收吸附中的应用

2019-05-16 浦士达环保

       油气回 收是下游化学工业,石油和 天然气工业以及环境保护的关键过程。为此目的,高度需 要用于蒸气回收的高效吸收材料,并且它 们的相关吸附动力学对其性能非常重要例如活性炭。由于油 蒸气由具有不同物理和化学性质的多种组分组成,因此对 多组分油蒸气的的总吸附动力学进行建模是对于工业应用非常有价值的。
       活性炭 被广泛认为是最有效的工业吸收剂之一,具有极 高的表面积与体积比,所需的 多孔结构以及在不同温度和压力下的优异物理和化学性质。基于活 性炭吸收剂的油蒸气回收系统已被许多公司广泛开发。关键问 题是在一定温度和压力范围内了解其对油蒸气的吸附动力学,以便了 解回收系统的效率。
       在本文中,我们开 发了一个综合的数学模型,描述了 填充床反应器中多组分油蒸汽吸附在活性炭上的过程。我们的 模型预测了广泛的无量纲参数下的吸附动力学,揭示了 动力学和一些无量纲参数之间的定量关系。虽然可 以通过考虑其他过程进一步开发更全面的模型,但该模 型的结果可作为设计基于活性炭吸收剂 的更有效的油蒸气回收系统的良好参考。我们期 望进行更多的实验研究以验证我们的模型。
       下图(图1)显示了加载分数θ与气体压力P/P0在不同 温度之间的定量关系。BET方程是 模拟活性炭上气体吸附动力学的好方法,但它仅 适用用于单组分气体吸附。在下面的部分中,介绍了 多组分油蒸气回收的综合模型。



图1:在不同 温度的活性炭下模拟BET曲线。
       结果与 讨论我们已经提出了一个综合模型,该模型 定量地预测了填充床反应器中的吸附动力学。在该模型中,我们仅考虑轴向扩散,并使用 质量守恒方程来模拟油气吸附的时空分布。我们假 设活性炭吸附在恒温下操作,并且与 活性炭的吸附容量相比,油蒸气浓度非常低。此外,假设油 蒸气中的组分之间不发生化学反应,因此每 种组分可以作为独立的吸附物处理。因此,多组分 吸附问题可以转化为单组分吸附问题。下图(图2)说明了 吸附动力学的温度依赖性。


图2:温度对 活性炭填充床反应器中油蒸汽穿透曲线的影响。
       从图2我们可以看出,较高的 温度会降低活性炭的吸附能力,因为吸 附过程是放热的,同时增 加了吸附动力学,从而导致更快的穿透,这意味着吸附物(油蒸汽)将在更 短的时间内存在。活性炭 反应器在较高温度下与较低温度相比较。
       模拟三 种不同孔隙率的活性炭的吸附动力学(图2)。通过多 组分加权平均计算C/C0(我们模 拟每种组分的吸附动力学,计算它 们相应的穿透曲线,并根据 它们在原始油蒸气中的体积分数得出加权平均值)。从图3中可以看出,较高的 孔隙率可以在较长的穿透时间内重新产生,这与较 高的孔隙率将导致较高的表面积并且将使反应器中的吸附物的停留时间更长的事实一致。



图3:不同孔 隙率活性炭的油蒸汽突破曲线。
       所有参 数空间在孔隙度和温度方面的综合研究如图4所示。我们可以看到,较高的 孔隙率和较低的温度将导致反应器中吸附物的停留时间更长。较高的 温度会导致更快的吸附速率,但会降 低活性炭的吸附能力。



图4:孔隙率 和温度对活性炭中油蒸气吸附穿透时间的影响。
       在图5中,我们显 示了戊烷在活性炭上的吸附负载的时空分布。戊烷是 油蒸气中的主要成分之一。由于我 们假设活性炭在吸附过程中处于恒温状态,且油蒸气浓度很低,因此线 性驱动力模型可以很好地模拟吸附质的吸附动力学。可以以 相同的方式模拟油蒸气中的其他组分。



图5:填充床 反应器中戊烷在活性炭吸附剂上的载荷的时空分布。
       在这项研究中,通过对流-扩散模 型模拟了油蒸汽在活性炭上的吸附动力学。从模拟 结果可以得出结论,孔隙度 和温度都对油蒸气的吸附动力学有显着影响。较高的孔隙率会增加的吸附动力学,而较高的 温度会降低活性炭的吸附能力,尽管它 可以增加吸附动力学并可以加速吸附过程达到平衡。油蒸气 中的不同组分也显示出截然不同的吸附动力学性质。这是因 为不同的组分具有不同的有效传质速率,因为它 们的分子量以及化学和物理性质不同。本研究 为今后用活性炭大规模回收油气的实验研究提供了重要的理论依据。
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