專利名稱：一種吸附劑熱力學及動力學參數(shù)自動測量方法及其裝置的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及吸附劑參數(shù)測量領域，特別涉及一種吸附劑熱力學及動力學參數(shù)自動測量方法及其裝置。
背景技術：
一種有效的吸附劑可以選擇性地吸附混合氣體中的某些組分，從而達到氣體凈化和分離的目的。由于吸附劑在制備或生產(chǎn)過程中難于嚴格的重復，不同工廠或同一工廠不同批次生產(chǎn)的同一型號的吸附劑的性能可能存在較大的差異，從文獻中查得的相同型號的吸附劑的物性數(shù)據(jù)可能誤差較大。因此，一種方便可靠、可以自動測量吸附劑物性數(shù)據(jù)的測量方法及裝置對科研、開發(fā)與設計、吸附劑的制備與生產(chǎn)、吸附劑的工業(yè)應用等部門都有重要的應用價值。
吸附劑表現(xiàn)在使用上的物性包括熱力學性質(zhì)(平衡吸附量、吸附熱及吸附劑的熱容等)和動力學性質(zhì)(吸附劑孔擴散系數(shù)及氣固間的傳熱系數(shù)等)；現(xiàn)有的測量上述熱力學及動力學參數(shù)的方法主要有重量法、流動法及容量法。但是，這些方法都存在一定的局限性。重量法是根據(jù)吸附前后吸附劑的重量變化來測量吸附劑物性的方法，重量法數(shù)據(jù)處理簡單，但使用的吸附劑量少，要求控制的實驗條件常偏離工業(yè)實際過程，因而測得的數(shù)據(jù)常用于基礎研究；此外，重量法在等溫下進行，不能測量熱參數(shù)。流動法是使氣體流過吸附柱，檢測吸附柱進出口氣體的組成，通過模型來計算吸附劑物性的方法。色譜法是最常用的流動法，獲取數(shù)據(jù)快，可以測定快速擴散體系的動力學行為，然而其數(shù)據(jù)的處理比較復雜，引入的等溫等假設也不完全可靠，不能測量熱參數(shù)。其它的流動法，如零長度柱法，微分床法，雖然各有特點，但是同色譜法一樣都需要加入惰性載氣，惰性載氣與待測組分間的相互作用難以確定，因而給數(shù)據(jù)處理帶來了不確定因素。
一定量的氣體吸附之后，其壓力發(fā)生變化(如果體積恒定)或體積發(fā)生變化(如果壓力恒定)，通過測定吸附前后壓力或體積的變化，由物料衡算可以得到氣體的吸附量，這就是容量法，相應稱為恒容容量法和恒壓容量法。容量法相對于其他方法來說，所需的設備簡單，測量引入的隨機誤差小，恒容容量法可以在密封的壓力容器下進行，測量氣體的壓力很簡易。但是，迄今為止，容量法只用于測量吸附平衡前后的壓力變化或體積變化，而不涉及過程的動態(tài)問題，從而只求出靜態(tài)的吸附平衡數(shù)據(jù)。

發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術的缺點，提供一種可靠、快速并能全自動測定吸附劑熱力學(平衡吸附量、吸附熱及吸附劑的熱容)及動力學參數(shù)(吸附劑孔擴散系數(shù)及氣固間的傳熱系數(shù))的方法。
本發(fā)明的另一目的在于提供一種實現(xiàn)上述方法的裝置。
本發(fā)明的目的通過下述技術方案實現(xiàn)本吸附劑熱力學及動力學參數(shù)自動測量方法采用計算機或其他電子控制裝置控制吸附過程在密封壓力容器中進行，自動測取壓力變化的動態(tài)過程以及溫度分布的動態(tài)過程，獲取氣—固吸附數(shù)據(jù)，進而求得吸附的熱力學及動力學參數(shù)，并由控制裝置自動控制實驗反復進行。本測量方法在原理上歸屬于容量法，但它是一種吸附過程參數(shù)的動態(tài)測量方法。
上述的測量方法是通過電子計算機或其他電子自動控制裝置來實現(xiàn)測量裝置的自動控制、數(shù)據(jù)的自動采集和參數(shù)的求取。
上述的測量方法根據(jù)壓力的動態(tài)變化，對氣體進行物料衡算得到氣—固吸附數(shù)據(jù)，通過建立吸附柱質(zhì)量守恒和熱量守恒方程組，由最小二乘法曲線擬合求得吸附的熱力學及動力學參數(shù)。
本吸附劑熱力學及動力學參數(shù)自動測量裝置包括充氣柱、吸附柱、恒溫槽、真空構件、加熱器、控制閥、壓力傳感器、溫度傳感器、自動控制構件，各部分的位置及連接關系為充氣柱、加熱器和吸附柱位于恒溫槽中并通過控制閥相互連接，恒溫槽設置有控溫構件調(diào)節(jié)和控制恒溫槽的溫度，真空構件通過控制閥連接到吸附柱，充氣柱及吸附柱分別連接有壓力傳感器及溫度傳感器，恒溫槽亦連接有溫度傳感器，所述控制閥、壓力傳感器、溫度傳感器及真空構件分別與自動控制構件相連接。
所述自動控制構件包括自動控制器、計算機，自動控制器與計算機電氣連接。該自動控制器提供傳感器和執(zhí)行機構與計算機的接口。該控制器的一部分由壓力傳感器和溫度傳感器的輸入通道、濾波器、信號放大器、AD轉換器及計算機的接口電路組成。壓力傳感器和溫度傳感器的信號送入該控制器，計算機通過接口采集到壓力和溫度的測量數(shù)據(jù)；該控制器的另一部分由計算機接口電路、開關量輸出和驅動電路和繼電器組成。計算機通過接口向該控制器送出開關量控制信息，從而控制恒溫槽的溫度以及控制閥和真空構件的開啟和關閉。
本吸附劑熱力學及動力學參數(shù)自動測量裝置的作用過程是通過自動控制構件對充氣柱、吸附柱內(nèi)壓力進行實時監(jiān)控的同時，調(diào)節(jié)控制閥和真空構件的開啟和關閉，順次完成吸附柱解吸、充氣柱升壓、氣體由充氣柱流動到吸附柱吸附等一系列操作過程；裝置運行過程中，自動控制構件將裝置中的壓力傳感器和溫度傳感器的信號采集并記錄，當吸附劑解吸完全且充氣柱充氣完畢，并達到恒溫槽控制的溫度時，打開兩柱間的控制閥，使氣體通過加熱器調(diào)溫后進入吸附柱吸附，同時自動控制構件記錄充氣柱內(nèi)壓力隨時間的變化以及吸附柱內(nèi)動態(tài)溫度分布，從而獲得氣體吸附的動態(tài)數(shù)據(jù)；通過改變充壓壓力和恒溫槽的控溫溫度可以得到不同操作條件下的實驗數(shù)據(jù)，利用這些數(shù)據(jù)，通過最優(yōu)化算法，可求得氣體吸附等溫方程(平衡吸附量隨壓力和溫度的關系)、吸附劑孔擴散系數(shù)、吸附熱、吸附劑的熱容以及氣固間的傳熱系數(shù)等熱力學及動力學參數(shù)。
本發(fā)明與現(xiàn)有技術相比具有如下的優(yōu)點(1)本吸附劑熱力學及動力學參數(shù)自動測量方法所引入的隨機誤差小，實施容易、方便，可同時獲取吸附過程較多的熱力學及動力學動態(tài)參數(shù)，并能夠在較寬的溫度、壓力范圍內(nèi)實施，與實際工業(yè)過程條件較為接近，所測數(shù)據(jù)準確性較好，可以較全面地反映吸附劑應用上的性能；(2)利用本方法可以實現(xiàn)測量過程的自動化，測量效率高，精度好；(3)本吸附劑熱力學及動力學參數(shù)自動測量裝置結構合理，操作簡單，自動化程度高，可使用到吸附劑的制備與生產(chǎn)、吸附劑的應用及研究等部門，應用前景較好。
(四)


圖1是本發(fā)明吸附劑熱力學及動力學參數(shù)自動測量裝置的結構示意圖。
具體實施方式
下面結合附圖對本發(fā)明作進一步具體的描述，但本發(fā)明的實施方式不限于此。
實施例1N2在碳分子篩上的吸附本發(fā)明吸附劑熱力學及動力學參數(shù)自動測量裝置的具體結構如圖1所示。由圖1可見，本裝置包括有高壓氣源、充氣柱2、吸附柱3、恒溫槽1、真空構件14、加熱器9、控制閥4、5、6、壓力傳感器7、8、溫度傳感器10、11、12、自動控制構件15，各部分的位置及連接關系為充氣柱2、加熱器9和吸附柱3位于恒溫槽1中控溫，用控制閥4、5、6將高壓氣源、充氣柱2、加熱器9和吸附柱3、真空構件14順次串聯(lián)起來，恒溫槽1設置有控溫構件13調(diào)節(jié)和控制恒溫槽1的溫度，充氣柱2及吸附柱3分別連接有壓力傳感器7、8及溫度傳感器10、11，恒溫槽1亦連接有溫度傳感器12，所述控制閥4、5、6、壓力傳感器7、8、溫度傳感器10、11、12及真空構件14分別與自動控制構件15相連接，由自動控制構件15分別控制控制閥4、5、6和真空構件14的開啟和關閉。充氣柱2和吸附柱3為不銹鋼壓力罐，體積分別為388.6ml和396.2ml；恒溫槽1配有2kw的電加熱器；真空構件14由一個容積為2升的緩沖罐和一臺2XZ-4型(浙江黃巖求精真空泵廠)的真空泵組成；加熱器9由3m長的螺旋盤管制成；控制閥4、5、6為工作壓力60bar的電磁閥(型號E121K041299514818 6530，丹麥產(chǎn))；壓力傳感器7、8為PS10081型壓力變送器(美國SCHAEVITZ公司產(chǎn))；溫度傳感器10、11、12為自制Φ0.1的鎳鉻-考銅熱電偶；自動控制構件15包括一臺1.5G的實達個人計算機及自動控制器，自動控制器由壓力傳感器和溫度傳感器的輸入通道、信號濾波器、信號放大器、AD轉換器及計算機的接口電路、開關量輸出和驅動電路和繼電器連接構成。
本實施例中的吸附柱3中裝填有206.2g的碳分子篩，空隙率為0.422；高壓氣源為N2鋼瓶(吸附質(zhì))，N2純度在99.5％以上；實驗過程中，恒溫槽1的溫度分別控制在30、35、40和45℃；裝置采用壓力傳感器7、8測量動態(tài)壓力，快速響應的溫度傳感器10、11、12來實時測定溫度，其中7個溫度傳感器10徑向均勻地分布于吸附柱3中部。這些傳感器10的輸出信號被自動控制構件15采集并記錄，具體操作如下1.控溫自動控制構件15控制恒溫槽1的溫度至實驗所需的一系列溫度；2.充壓自動控制構件15關閉控制閥5，打開控制閥4，使氣體由高壓氣源向充氣柱2充氣至實驗所需的壓力；3.抽真空自動控制構件15關閉控制閥4，打開控制閥6，使吸附柱3抽真空至解吸完成；4.檢測充氣柱2內(nèi)氣體溫度，達到控制的溫度時，可進行吸附；5.吸附自動控制構件15關閉控制閥6，打開控制閥5，充氣柱2對吸附柱3放壓，氣體在吸附劑上被吸附，壓力下降，其變化被自動控制構件15采集至吸附過程完成；6.重復上述操作，進行下一個實驗。
通過實驗前后的物料衡算，可以得到不同溫度下N2在碳分子篩上的平衡吸附量。由此可求得碳分子篩上N2的吸附相平衡關系，用Langmuir方程q*=qs·bP1+bP]]>和方程b=b0T·exp(-ΔHRgT)]]>擬合，結果見表1。其中q*為平衡吸附量，qs為氣體的飽和吸附量，b為Langmuir參數(shù)，b0為擬合參數(shù)，-ΔH為吸附熱，Rg為氣體常數(shù)。
利用實驗壓力曲線，建立吸附柱質(zhì)量守恒方程，通過Matlab6.0的最小二乘曲線擬合函數(shù)，求得N2的微孔擴散系數(shù)Dc，結果見表2。
利用實驗溫度曲線，建立吸附柱熱量守恒方程，通過Matlab6.0的最小二乘曲線擬合函數(shù)，求得吸附劑的熱容Cp以及氣固間的傳熱系數(shù)hf，結果見表3。
實施例2O2在碳分子篩上的吸附其參數(shù)測量方法和裝置見實施例1，將吸附質(zhì)N2改為O2。通過實施例l中所述的數(shù)據(jù)處理方法同樣可以得到碳分子篩上O2的吸附相平衡關系、O2的微孔擴散系數(shù)Dc、吸附劑的熱容Cp以及氣固間的傳熱系數(shù)hf，結果分別見表1，表2，和表3。
表1 N2、O2在碳分子篩上吸附的qs、b0和吸附熱(-ΔH)吸附質(zhì) qs/(mol/kg吸附劑) b0/(1/MPa) -ΔH/(kJ/mol)N22.380.1900 12.33O22.880.0890 13.64表2 N2、O2在碳分子篩上的擴散系數(shù)Dc充壓壓力/(MPa) Dc/(×10-16m2/s)吸附質(zhì)30℃35℃ 40℃45℃30℃35℃40℃45℃N21.201.221.211.201.852.503.003.50O21.201.221.211.20 20.0表3碳分子篩的熱容Cp及氣固間的傳熱系數(shù)hfCp/(J/(kg·K)) hf/(J/(m2·s·K)14.6(N2與碳分子篩之間)98315.1(O2與碳分子篩之間)由表2可以看出，在不同的環(huán)境溫度下，O2在碳分子篩上的擴散系數(shù)基本上沒有什么變化，而N2的擴散系數(shù)隨著溫度升高而顯著增大，因此，利用碳分子篩變壓吸附空分制氮在常溫下操作較為有利。
由上述實施例可見，利用本吸附劑熱力學及動力學參數(shù)自動測量方法及裝置可以較好地測量吸附劑的熱力學及動力學參數(shù)，所測得參數(shù)可使用到吸附劑的制備與生產(chǎn)、吸附劑的研究及應用等部門。
權利要求
1.一種吸附劑熱力學及動力學參數(shù)自動測量方法，其特征在于控制吸附過程在密封壓力容器中進行，測取壓力變化的動態(tài)過程以及溫度分布的動態(tài)過程，獲取氣—固吸附數(shù)據(jù)，進而求得吸附劑的熱力學及動力學參數(shù)，并由控制裝置控制實驗自動反復進行。
2.根據(jù)權利要求1所述的吸附劑熱力學及動力學參數(shù)自動測量方法，其特征在于通過電子計算機或電子自動控制裝置來實現(xiàn)測量裝置的自動控制、數(shù)據(jù)的自動采集和參數(shù)的求取。
3.根據(jù)權利要求1所述的吸附劑熱力學及動力學參數(shù)自動測量方法，其特征在于根據(jù)壓力的動態(tài)變化，對氣體進行物料衡算得到氣—固吸附數(shù)據(jù)，通過建立吸附柱質(zhì)量守恒和熱量守恒方程組，由最小二乘法曲線擬合求得吸附的熱力學及動力學參數(shù)。
4.一種吸附劑熱力學及動力學參數(shù)自動測量裝置，其特征在于包括充氣柱(2)、吸附柱(3)、恒溫槽(1)、真空構件(14)、加熱器(9)、控制閥(4、5、6)、壓力傳感器(7、8)、溫度傳感器(10、11、12)、自動控制構件(15)，各部分的位置及連接關系為充氣柱(2)、加熱器(9)和吸附柱(3)位于恒溫槽(1)中并通過控制閥(4、5、6)相互連接，恒溫槽(1)設置有控溫件(13)，真空構件(14)通過控制閥(6)連接到吸附柱(3)，充氣柱(2)及吸附柱(3)分別連接有壓力傳感器(7、8)及溫度傳感器(10、11)，恒溫槽(1)亦連接有溫度傳感器(12)，所述控制閥(4、5、6)、壓力傳感器(7、8)、溫度傳感器(10、11、12)及真空構件(14)分別與自動控制構件(15)相連接。
5.根據(jù)權利要求4所述的吸附劑熱力學及動力學參數(shù)自動測量裝置，其特征在于所述自動控制構件(15)包括自動控制器、計算機，自動控制器與計算機電氣連接。
6.根據(jù)權利要求5所述的吸附劑熱力學及動力學參數(shù)自動測量裝置，其特征在于該自動控制器由計算機接口電路、壓力傳感器和溫度傳感器的輸入通道、信號濾波器、信號放大器、AD轉換器、開關量輸出電路和驅動電路連接構成。
全文摘要
本發(fā)明提供一種吸附劑熱力學及動力學參數(shù)自動測量方法，具體為控制吸附過程在密封壓力容器中進行，測取壓力變化的動態(tài)過程以及溫度分布的動態(tài)過程，獲取氣—固吸附數(shù)據(jù)，進而求得吸附劑的熱力學及動力學參數(shù)，并由控制裝置控制實驗自動反復進行；一種實施上述方法的裝置，包括充氣柱、吸附柱、恒溫槽、真空構件、加熱器、控制閥、壓力傳感器、溫度傳感器、自動控制構件；本發(fā)明所引入的隨機誤差小，實施容易、方便，可同時獲取吸附過程較多的熱力學及動力學動態(tài)參數(shù)，并能夠在較寬的溫度、壓力范圍內(nèi)實施，與實際工業(yè)過程條件較為接近，所測數(shù)據(jù)準確性較好，可以較全面地反映了吸附劑的性能，可使用到吸附劑的制備與生產(chǎn)、應用與研究等部門，應用前景較好。
文檔編號G01N7/04GK1403796SQ0213475
公開日2003年3月19日 申請日期2002年9月17日 優(yōu)先權日2002年9月17日
發(fā)明者鄭建郁, 曾嶸, 陸應生 申請人:華南理工大學