活性炭國(guó)家專(zhuān)精特新“小巨人”企業(yè)活性炭產(chǎn)學(xué)研合作

　　油氣回收是下游化學(xué)工業(yè)，石油和天然氣工業(yè)以及環(huán)境保護(hù)的關(guān)鍵過(guò)程。為此目的，高度需要用于蒸氣回收的高效吸收材料，并且它們的相關(guān)吸附動(dòng)力學(xué)對(duì)其性能非常重要例如活性炭。由于油蒸氣由具有不同物理和化學(xué)性質(zhì)的多種組分組成，因此對(duì)多組分油蒸氣的活性炭的總吸附動(dòng)力學(xué)進(jìn)行建模是對(duì)于工業(yè)應(yīng)用非常有價(jià)值的。

　　石油和天然氣工業(yè)，化學(xué)工業(yè)和許多其他相關(guān)行業(yè)中，從油蒸汽中有效回收有用成分是其運(yùn)行的重要組成部分。重新檢測(cè)油蒸汽有兩個(gè)主要好處：1)通過(guò)從油蒸氣中回收有價(jià)值的成分，該公司可以增加額外的利潤(rùn)，同時(shí)降低成本，例如石油和天然氣公司正試圖回收天然氣蒸汽并將其轉(zhuǎn)化為有用的產(chǎn)品; 2)油蒸氣含有一些環(huán)境危險(xiǎn)成分，必須在它們逃逸到大氣之前進(jìn)行回收。有多種方法可以回收油蒸汽，包括通過(guò)撤回在地下儲(chǔ)罐中產(chǎn)生負(fù)壓的方法，以及通過(guò)物理吸附機(jī)制等方法。在所有不同的油氣回收方法中，使用高效吸收劑在近大氣壓下物理捕獲油蒸氣組分，在工業(yè)上廣泛應(yīng)用。

　　活性炭被廣泛認(rèn)為是最有效的工業(yè)吸收劑之一，具有極高的表面積與體積比，所需的多孔結(jié)構(gòu)以及在不同溫度和壓力下的優(yōu)異物理和化學(xué)性質(zhì)。基于活性炭吸收劑的油蒸氣回收系統(tǒng)已被許多公司廣泛開(kāi)發(fā)。關(guān)鍵問(wèn)題是在一定溫度和壓力范圍內(nèi)了解其對(duì)油蒸氣的吸附動(dòng)力學(xué)，以便了解回收系統(tǒng)的效率。

　　已經(jīng)有一些研究工作在理論上研究了各種吸收材料上的氣體吸附動(dòng)力學(xué)。開(kāi)發(fā)了填充床反應(yīng)器中氧化鈉促進(jìn)的氧化鋁的CO2吸附動(dòng)力學(xué)的綜合數(shù)學(xué)模型。他們的模型充分解釋了實(shí)驗(yàn)結(jié)果，揭示了物理?xiàng)l件和吸附動(dòng)力學(xué)之間的一些定量關(guān)系。關(guān)于探索活性炭在有機(jī)蒸汽上的吸附動(dòng)力學(xué)，也有不少實(shí)驗(yàn)工作。然而，很少有研究工作為多組分系統(tǒng)開(kāi)發(fā)活性炭的吸附動(dòng)力學(xué)模型。由于處理多組分系統(tǒng)對(duì)工業(yè)的需求很大，因此開(kāi)發(fā)數(shù)學(xué)模型來(lái)預(yù)測(cè)多組分系統(tǒng)活性炭的吸附動(dòng)力學(xué)對(duì)于理解和優(yōu)化現(xiàn)有的油蒸氣回收系統(tǒng)至關(guān)重要。

　　在本文中，我們開(kāi)發(fā)了一個(gè)綜合的數(shù)學(xué)模型，描述了填充床反應(yīng)器中多組分油蒸汽吸附在活性炭上的過(guò)程。我們的模型預(yù)測(cè)了廣泛的無(wú)量綱參數(shù)下的吸附動(dòng)力學(xué)，揭示了動(dòng)力學(xué)和一些無(wú)量綱參數(shù)之間的定量關(guān)系。雖然可以通過(guò)考慮其他過(guò)程進(jìn)一步開(kāi)發(fā)更全面的模型，但該模型的結(jié)果可作為設(shè)計(jì)基于活性炭吸收劑的更有效的油蒸氣回收系統(tǒng)的良好參考。我們期望進(jìn)行更多的實(shí)驗(yàn)研究以驗(yàn)證我們的模型。

　　數(shù)學(xué)模型活性炭是一種高效吸附劑，廣泛用于各種工業(yè)。目前已有許多關(guān)于研究活性炭物理性質(zhì)的研究，這將影響其吸附動(dòng)力學(xué)。由于油蒸氣是一種多組分體系，其每種組分都具有不同的吸附動(dòng)力學(xué)性質(zhì)。對(duì)多組分氣相吸附動(dòng)力學(xué)進(jìn)行建模非常重要，因?yàn)槲覀兛梢詫⑽覀兊哪Ｐ屯茝V到實(shí)際的工業(yè)問(wèn)題。我們從BET方程的一般模型開(kāi)始，該方程研究平衡吸附量和氣體壓力之間的關(guān)系。我們使用的活性炭孔隙率為0.6。

　　下圖(圖1)顯示了加載分?jǐn)?shù)θ與氣體壓力P/P0在不同溫度之間的定量關(guān)系。BET方程是模擬活性炭上氣體吸附動(dòng)力學(xué)的好方法，但它僅適用用于單組分氣體吸附。在下面的部分中，介紹了多組分油蒸氣回收的綜合模型。

　　圖1：在不同溫度的活性炭下模擬BET曲線(xiàn)。

　　結(jié)果與討論我們已經(jīng)提出了一個(gè)綜合模型，該模型定量地預(yù)測(cè)了填充床反應(yīng)器中油蒸氣回收的吸附動(dòng)力學(xué)。在該模型中，我們僅考慮軸向擴(kuò)散，并使用質(zhì)量守恒方程來(lái)模擬油氣吸附的時(shí)空分布。我們假設(shè)活性炭吸附在恒溫下操作，并且與活性炭的吸附容量相比，油蒸氣濃度非常低。此外，假設(shè)油蒸氣中的組分之間不發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，因此每種組分可以作為獨(dú)立的吸附物處理。因此，多組分吸附問(wèn)題可以轉(zhuǎn)化為單組分吸附問(wèn)題。下圖(圖2)說(shuō)明了吸附動(dòng)力學(xué)的溫度依賴(lài)性。

　　圖2：溫度對(duì)活性炭填充床反應(yīng)器中油蒸汽穿透曲線(xiàn)的影響。

　　從圖2我們可以看出，較高的溫度會(huì)降低活性炭的吸附能力，因?yàn)槲�附過(guò)程是放熱的，同時(shí)增加了吸附動(dòng)力學(xué)，從而導(dǎo)致更快的穿透，這意味著吸附物(油蒸汽)將在更短的時(shí)間內(nèi)存在。活性炭反應(yīng)器在較高溫度下與較低溫度相比較。

　　模擬三種不同孔隙率的活性炭的吸附動(dòng)力學(xué)(圖2)。通過(guò)多組分加權(quán)平均計(jì)算C/C0(我們模擬每種組分的吸附動(dòng)力學(xué)，計(jì)算它們相應(yīng)的穿透曲線(xiàn)，并根據(jù)它們?cè)谠�始油蒸氣中的體積分?jǐn)?shù)得出加權(quán)平均值)。從圖3中可以看出，較高的孔隙率可以在較長(zhǎng)的穿透時(shí)間內(nèi)重新產(chǎn)生，這與較高的孔隙率將導(dǎo)致較高的表面積并且將使反應(yīng)器中的吸附物的停留時(shí)間更長(zhǎng)的事實(shí)一致。

　　圖3：不同孔隙率活性炭的油蒸汽突破曲線(xiàn)。

　　所有參數(shù)空間在孔隙度和溫度方面的綜合研究如圖4所示。我們可以看到，較高的孔隙率和較低的溫度將導(dǎo)致反應(yīng)器中吸附物的停留時(shí)間更長(zhǎng)。較高的溫度會(huì)導(dǎo)致更快的吸附速率，但會(huì)降低活性炭吸附劑的吸附能力。

　　圖4：孔隙率和溫度對(duì)活性炭中油蒸氣吸附穿透時(shí)間的影響。

　　在圖5中，我們顯示了戊烷在活性炭上的吸附負(fù)載的時(shí)空分布。戊烷是油蒸氣中的主要成分之一。由于我們假設(shè)活性炭在吸附過(guò)程中處于恒溫狀態(tài)，且油蒸氣濃度很低，因此線(xiàn)性驅(qū)動(dòng)力模型可以很好地模擬吸附質(zhì)的吸附動(dòng)力學(xué)。可以以相同的方式模擬油蒸氣中的其他組分。

　　圖5：填充床反應(yīng)器中戊烷在活性炭吸附劑上的載荷的時(shí)空分布。

　　在這項(xiàng)研究中，通過(guò)對(duì)流-擴(kuò)散模型模擬了油蒸汽在活性炭上的吸附動(dòng)力學(xué)。從模擬結(jié)果可以得出結(jié)論，孔隙度和溫度都對(duì)油蒸氣的吸附動(dòng)力學(xué)有顯著影響。較高的孔隙率會(huì)增加活性炭的吸附動(dòng)力學(xué)，而較高的溫度會(huì)降低活性炭的吸附能力，盡管它可以增加吸附動(dòng)力學(xué)并可以加速吸附過(guò)程達(dá)到平衡。油蒸氣中的不同組分也顯示出截然不同的吸附動(dòng)力學(xué)性質(zhì)。這是因?yàn)椴煌�的組分具有不同的有效傳質(zhì)速率，因?yàn)樗鼈兊姆肿恿恳约盎瘜W(xué)和物理性質(zhì)不同。本研究為今后用活性炭大規(guī)模回收油氣的實(shí)驗(yàn)研究提供了重要的理論依據(jù)。

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