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)境保護的關(guān)鍵過程。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)吸附動力學(xué)對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，因此對多組分油蒸氣的活性炭的總吸附動力學(xué)進行建模是對于工業(yè)應(yīng)用非常有價值的。

　　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行的重要組成部分。重新檢測油蒸汽有兩個主要好處：1)通過從油蒸氣中回收有價值的成分，該公司可以增加額外的利潤，同時降低成本，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)境危險成分，必須在它們逃逸到大氣之前進行回收。有多種方法可以回收油蒸汽，包括通過撤回在地下儲罐中產(chǎn)生負壓的方法，以及通過物理吸附機制等方法。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發(fā)。關(guān)鍵問題是在一定溫度和壓力范圍內(nèi)了解其對油蒸氣的吸附動力學(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力學(xué)。開發(fā)了填充床反應(yīng)器中氧化鈉促進的氧化鋁的CO2吸附動力學(xué)的綜合數(shù)學(xué)模型。他們的模型充分解釋了實驗結(jié)果，揭示了物理條件和吸附動力學(xué)之間的一些定量關(guān)系。關(guān)于探索活性炭在有機蒸汽上的吸附動力學(xué)，也有不少實驗工作。然而，很少有研究工作為多組分系統(tǒng)開發(fā)活性炭的吸附動力學(xué)模型。由于處理多組分系統(tǒng)對工業(yè)的需求很大，因此開發(fā)數(shù)學(xué)模型來預(yù)測多組分系統(tǒng)活性炭的吸附動力學(xué)對于理解和優(yōu)化現(xiàn)有的油蒸氣回收系統(tǒng)至關(guān)重要。

　　在本文中，我們開發(fā)了一個綜合的數(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程。我們的模型預(yù)測了廣泛的無量綱參數(shù)下的吸附動力學(xué)，揭示了動力學(xué)和一些無量綱參數(shù)之間的定量關(guān)系。雖然可以通過考慮其他過程進一步開發(fā)更全面的模型，但該模型的結(jié)果可作為設(shè)計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。我們期望進行更多的實驗研究以驗證我們的模型。

　　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力學(xué)性質(zhì)。對多組分氣相吸附動力學(xué)進行建模非常重要，因為我們可以將我們的模型推廣到實際的工業(yè)問題。我們從BET方程的一般模型開始，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)顯示了加載分數(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。

　　結(jié)果與討論我們已經(jīng)提出了一個綜合模型，該模型定量地預(yù)測了填充床反應(yīng)器中油蒸氣回收的吸附動力學(xué)。在該模型中，我們僅考慮軸向擴散，并使用質(zhì)量守恒方程來模擬油氣吸附的時空分布。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立的吸附物處理。因此，多組分吸附問題可以轉(zhuǎn)化為單組分吸附問題。下圖(圖2)說明了吸附動力學(xué)的溫度依賴性。

　　圖2：溫度對活性炭填充床反應(yīng)器中油蒸汽穿透曲線的影響。

　　從圖2我們可以看出，較高的溫度會降低活性炭的吸附能力，因為吸附過程是放熱的，同時增加了吸附動力學(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力學(xué)(圖2)。通過多組分加權(quán)平均計算C/C0(我們模擬每種組分的吸附動力學(xué)，計算它們相應(yīng)的穿透曲線，并根據(jù)它們在原始油蒸氣中的體積分數(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的穿透時間內(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間更長的事實一致。

　　圖3：不同孔隙率活性炭的油蒸汽突破曲線。

　　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間更長。較高的溫度會導(dǎo)致更快的吸附速率，但會降低活性炭吸附劑的吸附能力。

　　圖4：孔隙率和溫度對活性炭中油蒸氣吸附穿透時間的影響。

　　在圖5中，我們顯示了戊烷在活性炭上的吸附負載的時空分布。戊烷是油蒸氣中的主要成分之一。由于我們假設(shè)活性炭在吸附過程中處于恒溫狀態(tài)，且油蒸氣濃度很低，因此線性驅(qū)動力模型可以很好地模擬吸附質(zhì)的吸附動力學(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空分布。

　　在這項研究中，通過對流-擴散模型模擬了油蒸汽在活性炭上的吸附動力學(xué)。從模擬結(jié)果可以得出結(jié)論，孔隙度和溫度都對油蒸氣的吸附動力學(xué)有顯著影響。較高的孔隙率會增加活性炭的吸附動力學(xué)，而較高的溫度會降低活性炭的吸附能力，盡管它可以增加吸附動力學(xué)并可以加速吸附過程達到平衡。油蒸氣中的不同組分也顯示出截然不同的吸附動力學(xué)性質(zhì)。這是因為不同的組分具有不同的有效傳質(zhì)速率，因為它們的分子量以及化學(xué)和物理性質(zhì)不同。本研究為今后用活性炭大規(guī)模回收油氣的實驗研究提供了重要的理論依據(jù)。

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