多组分气体混合物在多孔固体上吸附平衡研究

论文摘要

多组分气体吸附平衡理论是设计吸附分离过程的热力学基础。现有吸附平衡模型基本上以吸附相是饱和液体为理论基础,这些模型或多或少存在一定的局限,并且因缺乏实验数据,没有得到广泛验证。本文实验测定了四元气体混合物在活性炭上的吸附平衡用以检验现有模型对多组分吸附平衡的适用性,进而提出了预测多组分气体吸附平衡的一种新方法。采用JX-101椰壳活性炭为吸附剂,用静态容积法测定了纯CO2、CH4、N2和H2的吸附等温线,温度范围283K～328K,压力范围0～30×105Pa。然后采用动态法测定了四元体系CO2-CH4-N2-H2在同一活性炭上不同浓度、不同温度条件下的吸附平衡数据,实验温度范围283～328K,最高压力30×105Pa。利用实验测得的多组分吸附平衡数据,检验了八种已有模型的适用性,对各个模型的优缺点进行了分析比较。各模型对于吸附量最小的氢气的预测效果最差;MPSD模型的预测偏差最稳定;各组分均为超临界气体时FHVSM模型的预测偏差最小。本文在区分超临界和亚临界气体不同的吸附机理基础上,将吸附相中的分子分为直接与吸附剂表面接触的I类分子和吸附在已被吸附的分子表面的II类分子,认为总吸附量为两类分子的贡献之和。采用孔径分布模型描述吸附剂表面不均一性。选用可以描述吸附相非理想性的模型作为局部等温线模型,提出新的可以预测多组分气体混合物吸附平衡的模型。通过实验数据对此模型预测效果进行检验,表明预测效果较其他模型有很大提高。为进一步检验新模型的预测效果,使用新模型对文献中三组含有超临界组分三元气体混合物吸附平衡进行了预测,并将新模型的预测结果与文献中其他模型的预测结果比较,表明新模型的预测精度有了较大的提高。对于完全由超临界气体组成的混合物吸附平衡新模型可以较好地预测吸附平衡,其预测能力和SAME模型相当,有的判断标准好于SAME模型,也好于其他相比较的模型。说明新模型既可以用于预测含有超临界组分的气体混合物,也可用于全部为超临界组分的气体混合物在活性炭上的吸附平衡。

论文目录

• 中文摘要
• Abstract
• 第一章 文献综述
• 1.1 前言
• 1.2 吸附、超临界吸附及吸附等温线
• 1.2.1 吸附的定义
• 1.2.2 超临界吸附的定义
• 1.2.3 纯气体吸附等温线的特点
• 1.2.3.1 亚临界温度吸附等温线的特点
• 1.2.3.2 超临界温度吸附等温线
• 1.3 气体吸附平衡的实验研究进展
• 1.3.1 单组分气体吸附平衡的实验研究
• 1.3.2 测量多组分气体吸附平衡的实验方法
• 1.3.3 多组分气体吸附平衡实验数据表示方法
• 1.4 单一气体吸附平衡理论研究进展
• 1.4.1 亚临界温度单组分气体吸附平衡理论
• 1.4.2 超临界单组分气体吸附平衡理论
• 1.5 多组分气体吸附平衡研究进展
• 1.5.1 亚临界温度多组分气体吸附平衡理论模型
• 1.5.1.1 将吸附相看作理想状态的模型
• 1.5.1.2 考虑吸附剂表面不均一性的模型
• 1.5.1.3 考虑吸附相非理想性的模型
• 1.5.1.4 统计热力学模型
• 1.5.1.5 亚临界温度多组分吸附平衡模型的比较和应用
• 1.5.2 超临界温度多组分气体吸附平衡模型
• 1.6 现有多组分气体吸附平衡理论模型所面临的问题
• 1.7 本论文的研究工作
• 第二章 单组分和多组分吸附平衡实验研究
• 2.1 吸附质与吸附剂
• 2.2 单一气体吸附等温线的测定
• 2.2.1 静态容积法实验装置
• 2.2.2 实验过程
• 2.2.2.1 参比槽有效体积的确定
• 2.2.2.2 活性炭样品的处理
• 2.2.2.3 吸附槽自由空间体积的确定
• 2.2.2.4 吸附等温线的测定
• 2.2.3 单组分吸附等温线
• 2.3 多组分气体吸附平衡的测定
• 2.3.1 不同浓度原料气的配制
• 2.3.1.1 配气装置图
• 2.3.1.2 配气操作步骤
• 2.3.2 动态法实验装置
• 2.3.3 动态法测定多组分吸附平衡的实验步骤
• 2.3.4 吸附量的计算
• 2.3.4.1 动态法可靠性检验
• 2.3.4.2 吸附量的计算方法
• 2.3.5 动态法实验结果
• 2.3.5.1 动态法测定吸附平衡的可靠性
• 2－CH₄– N₂–H₂四元体系吸附平衡'>2.3.5.2 动态法测量C0₂－CH₄– N₂–H₂四元体系吸附平衡
• 2.4 小结
• 符号说明
• 第三章 现有多组分吸附平衡模型适用性研究
• 3.1 前言
• 3.2 扩展的Langmuir模型
• 3.3 MREL模型
• 3.4 LRC模型
• 3.5 吸附势理论
• 3.6 理想溶液理论（Ideal Adsorption Solution Theory－IAST）
• 3.7 空位溶液理论（Vacancy Solution Model－VSM）
• 3.8 孔径分布模型（Micropore Size Distribution）
• 3.9 MISC模型
• 3.10 现有多组分吸附平衡模型对气体混合物预测结果的比较
• 3.11 小结
• 符号说明
• 第四章 多组分气体吸附平衡新模型的建立
• 4.1 吸附相的描述
• 4.1.1 纯气体在活性炭JX101 上的吸附相描述
• 4.1.2 气体混合物在JX101 活性炭上的吸附相描述
• 4.2 多组分气体吸附平衡新模型的提出
• 4.2.1 纯组分吸附平衡模型
• 4.2.1.1 纯组分吸附平衡描述
• 4.2.1.2 局部等温线方程
• 4.2.2 多组分吸附平衡模型
• 4.2.3 气相主体逸度的计算
• 4.3 新模型预测效果检验
• 4.3.1 本论文的实验数据
• 4.3.2 Reich的数据
• 4.3.3 Dreisbach的数据
• 4.3.4 李明的数据
• 4.3.5 吴芹的数据
• 4.4 关于新平衡模型的讨论
• 4.5 小结
• 符号说明
• 第五章 结论
• 参考文献
• 发表论文情况
• 附录 四元气体混合物在活性炭JX101 上吸附平衡数据
• 致谢