活性炭国家专精特新“小巨人”企业活性炭产学研合作

　　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活性炭的总吸附动力学进行建模是对于工业应用非常有价值的。

　　石油和天然气工业，化学工业和许多其他相关行业中，从油蒸汽中有效回收有用成分是其运行的重要组成部分。重新检测油蒸汽有两个主要好处：1)通过从油蒸气中回收有价值的成分，该公司可以增加额外的利润，同时降低成本，例如石油和天然气公司正试图回收天然气蒸汽并将其转化为有用的产品; 2)油蒸气含有一些环境危险成分，必须在它们逃逸到大气之前进行回收。有多种方法可以回收油蒸汽，包括通过撤回在地下储罐中产生负压的方法，以及通过物理吸附机制等方法。在所有不同的油气回收方法中，使用高效吸收剂在近大气压下物理捕获油蒸气组分，在工业上广泛应用。

　　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。

　　已经有一些研究工作在理论上研究了各种吸收材料上的气体吸附动力学。开发了填充床反应器中氧化钠促进的氧化铝的CO2吸附动力学的综合数学模型。他们的模型充分解释了实验结果，揭示了物理条件和吸附动力学之间的一些定量关系。关于探索活性炭在有机蒸汽上的吸附动力学，也有不少实验工作。然而，很少有研究工作为多组分系统开发活性炭的吸附动力学模型。由于处理多组分系统对工业的需求很大，因此开发数学模型来预测多组分系统活性炭的吸附动力学对于理解和优化现有的油蒸气回收系统至关重要。

　　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。

　　数学模型活性炭是一种高效吸附剂，广泛用于各种工业。目前已有许多关于研究活性炭物理性质的研究，这将影响其吸附动力学。由于油蒸气是一种多组分体系，其每种组分都具有不同的吸附动力学性质。对多组分气相吸附动力学进行建模非常重要，因为我们可以将我们的模型推广到实际的工业问题。我们从BET方程的一般模型开始，该方程研究平衡吸附量和气体压力之间的关系。我们使用的活性炭孔隙率为0.6。

　　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油蒸气回收的吸附动力学。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，但会降低活性炭吸附剂的吸附能力。

　　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活性炭的吸附动力学，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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