多组分气体混合物吸附平衡的预测

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在实际的工业生产中,多组分混合气体是气体分离和净化所面临的主要对象,在工厂运用变压吸附或者真空变压吸附进行气体分离提纯的过程中,计算机的拟合预测工作可以为吸附分离及吸附存储等过程提供设计参数,另外对多组分气固吸附模型的深入研究有助于理解吸附剂的吸附特性,有助于吸附剂的开发和混合气体的分离提纯,所以研究多组分气体吸附平衡对于吸附工艺的设计和应用具有重要的意义。然而由于吸附剂以及吸附质的种类繁多,相比于纯组分气体,测量多组分气体吸附平衡的实验操作非常繁琐而又耗时。鉴于此通常采用理论方法从纯组分气体的吸附等温线入手,通过纯组分气体的吸附等温线获得的信息,推测出多组分气体混合物在给定温度和给定压力下每一组分的吸附量。  本文旨在通过对纯组分气体吸附平衡数据建立恰当的理论模型,利用纯组分气体吸附模型拟合得到的参数和多组分气体的分压预测多组分气体的吸附平衡。在对纯组分气体吸附平衡建立模型过程中分别考虑了吸附力参数和温度的关系以及吸附剂表面势场分布不均一的问题建立了Dual-Site Langmuir(DSL)模型和Langmuir-Freundlich-Langmuir(LFL)模型。在进行二元组分气体混合物吸附平衡预测时考虑了由于吸附力参数的不同排列而出现的两种边界情况,在此基础上对三组分气体吸附平衡做出预测。  (1)本文在纯组分气体吸附模型的构建时考虑温度的影响提出了新的双位点吸附DSL模型,此模型中将吸附力的参数与温度的关系进行更加细致的描述。利用新模型分别对氢型丝光沸石(吸附质:C3H8、CO2、H2S)、Nuxit-AL活性炭(吸附质:CH4、C2H4、C2H6、C3H8)、BPL活性炭(吸附质:CH4、C2H4、C2H6)三种吸附剂上不同纯组分气体的吸附平衡数据进行回归,回归结果的平均相对误差基本在3%以下。在利用纯组分气体模型拟合得到的参数进行二元组分气体吸附平衡的预测中,考虑了由于每一组分在两个位点吸附力大小的不同而导致两种边界情况。在三组分气体混合物的吸附平衡预测中,DSL模型的预测精度优于LAST的预测精度;对一些体系的预测优于文献中DSL模型预测结果,但有些体系的预测结果不及已有的DSL模型预测精度。  (2)考虑到吸附剂表面势场分布的不均一性,在纯组分气体吸附模型中引入一个表征吸附剂表面势场分布不均一性的参数构建LFL双位点模型,利用新模型对上述三种吸附剂上不同纯组分气体吸附平衡数据进行回归,回归结果的平均相对误差基本都在2%以下,与DSL模型相比,LFL模型对纯组分气体的吸附行为描述的更加准确。在利用纯组分气体模型拟合得到的参数进行二元组分气体的吸附平衡预测中,考虑了由于每一组分在两个位点吸附力大小的不同而导致两种边界情况。由于考虑了吸附剂表面势场分布的不均一性,对三元组分混合气体中每一个组分气体的吸附平衡预测精度都有很大的提高,模型的预测能力优于目前所见文献报道。
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