CN101274266A - 用于管壳式吸附床的烧结沸石分子筛翅片单管的制备方法 - Google Patents

用于管壳式吸附床的烧结沸石分子筛翅片单管的制备方法 Download PDF

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孟祥睿
韦小雄
胡放
张如波
曾方薇
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Abstract

本发明涉及一种在翅片管上低温一次性整体烧结沸石分子筛使其固化成型的翅片吸附单管，实现了复合吸附剂的烧结及其与翅片管壁的固化结合。本发明利用翅片管代替光管烧结，提高了单位长度管壁上吸附剂的填充量，增加换热面积，所用的吸附剂导热系数高，与金属壁面间的接触热阻小，传质速率快，从而改善了吸附床的传热传质性能，增大吸附循环量，缩短循环时间。

Description

用于管壳式吸附床的烧结沸石分子筛翅片单管的制备方法
技术领域
本发明涉及一种具有优良传热与传质性能的吸附床单管，尤其涉及一种在翅片管上低温一次性整体烧结沸石分子筛使其固化成型的吸附床单管。属于吸附式制冷强化转热传质领域。
技术背景
管壳式吸附床为吸附式制冷中常用的吸附床形式，沸石分子筛和水是吸附式制冷中的常用工质对。其填充方式多为在以光滑管为传热管的外壁周围散装堆积沸石颗粒。然而沸石分子筛为多孔介质材料，热传导性能低，如沸石颗粒堆积床的导热系数仅为0.06～0.09Wm-1K-1。同时，沸石颗粒和管壁之间的接触热阻较大，光滑管的传热性能也没有翅片管好。
中国发明专利授权公告号CN1116105C提出的一种“具有优良导热与吸附性能的块状沸石吸附剂”把沸石原粉和水玻璃复合，导热系数提高了3倍，但没有解决接触热阻的问题。《太阳能学报》(1998，19：186-190)“太阳能吸附器中强化热传导性能的实验研究”一文所述聚苯胺/沸石复合剂利用化学合成的方法，使导热系数提高2～4倍。《工程热物理学报》(2006，1：139-141)“吸附制冷用吸附单元管设计和传热传质性能研究”一文利用在翅片管内堆积散装沸石颗粒的办法，强化了吸附床的传热，提高了温度场的均匀性，但吸附剂的导热系数仅为0.07Wm-1K-1，接触热阻也较大。
发明内容
针对散装堆积沸石颗粒导热系数低，与金属壁面接触热阻大的缺点，本发明将吸附床中常用的光滑管制成翅片管，并在翅片管上低温一次性整体烧结固化沸石分子筛吸附剂，目的是提高吸附剂的导热系数，减小了吸附剂与金属壁面的接触热阻，强化吸附床的传热传质性能，增强温度场的均匀性，进而提高吸附式制冷***的整体性能。使***整体功耗更低，设备体积更紧凑，以减少设备投资。
本发明是采用以下技术方案实现的：
一种用于管壳式吸附床的烧结沸石分子筛翅片单管的制备方法，其特征在于，所述方法步骤如下：
1、沸石分子筛复合吸附剂的制备
(1)配置吸附剂原料
以沸石分子筛为原料，其形态为纯沸石分子筛原粉或者沸石分子筛原粉与颗粒以任意质量比混合；确定沸石分子筛原粉的质量以后，添加沸石分子筛原粉质量5～20％的凹凸棒土，沸石分子筛原粉质量2～10％的高岭土，沸石分子筛原粉质量1～15％的铜粉或者石墨粉，搅拌均匀作为吸附剂原料；
(2)加入模数为3.2的水玻璃混合水作为粘结剂，水玻璃与水的质量比为2∶1，吸附剂原料与粘结剂的质量比为3∶1～3∶2，搅拌均匀后得到沸石分子筛复合吸附剂；
其中，凹凸棒土和高岭土的作用为粘结沸石分子筛原粉，铜粉或者石墨粉用以提高导热系数，水玻璃作用在于颗粒、粉末及其与金属翅片间的粘结。
2、翅片单管的制作和前处理
(1)基管3外部焊接若干环形翅片2，每片环形翅片上开2～6个两两相对的V型纵槽4作为传质通道，槽深度为翅片管的高度，每两片翅片2的间距小于或等于5mm，以保证其传热最大尺度不超过2.5mm；
(2)为了去除翅片管壁面上可能存在的氧化皮及油、锈等杂质，应用超声波清洗器对翅片管进行前处理；
3、沸石分子筛复合吸附剂与翅片管的预固化
在经步骤2处理过的翅片管上预填和所开槽形状相契合的V型模具，把步骤1的复合吸附剂填充进翅片管翅片缝隙中；再利用与翅片缝隙相契合的环形模具加压5～10MPa，然后取下环形模具和V型模具。
4、焙烧烘干
将步骤3中制备的填充有沸石分子筛复合吸附剂的翅片管整体烧结处理，采用分段加热的方法，即在30℃～200℃的环境中分4～6段各段加热30～50分钟；其中，在30～100℃温度中，至少分两段，且每段烧结时间约50分钟，以防水玻璃受热太快而发泡，在200℃左右的环境中保温1～2小时后，空冷得到烧结沸石分子筛复合吸附剂翅片单管。
上述沸石分子筛为13X型，其孔径
Figure A20071017253400041
能吸附小于
Figure A20071017253400042
的任何分子。凡可吸附于3A、4A、5A型分子筛上的分子，都能吸附于13X型。而且13X型沸石分子筛在30℃～200℃的环境中不会因为烧结而发生性质的改变。
上述步骤1(1)所说的吸附剂原料可以为沸石分子筛颗粒。
上述步骤2(1)中的纵槽4可以为矩形纵槽，则步骤3中预填的与矩形纵槽相契合的模具为矩形模具。
本发明可选取管式电炉或箱式电炉作为烧结装置。
有益效果
本发明利用翅片管代替光管烧结，提高了单位长度管壁上吸附剂的填充量，增加换热面积，增强温度场的均匀性，且在翅片管上开纵槽，在强化传热的同时，强化了传质。所用烧结沸石复合吸附剂的有效导热系数比散装沸石颗粒提高了4～6倍，吸附剂与金属壁面间的热阻减小了30％～80％，所用翅片管强化了传热，使吸附床的总传热系数提高了2.9～4.6倍。
附图说明
图1烧结沸石分子筛翅片管单管
其中：1-烧结复合吸附剂；2-翅片；3-基管；4-V型纵槽。
具体实施方式
实施例1
1.1 原料配比：采用纯13X型沸石原粉，添加沸石原粉质量8％的凹凸棒土，沸石原粉质量2％的高龄土，沸石原粉质量4％的石墨粉，搅拌均匀作为吸附剂原料。然后，加入模数为3.2的水玻璃混合水作为粘结剂，水玻璃与水的质量比为2∶1，吸附剂原料与粘结剂的质量比为3∶2。搅拌均匀得到复合吸附剂。
1.2 预处理及预固化：把应用超声波清洗器处理过的翅片管开4个V型纵槽，在纵槽中预填V型模具，然后在翅片中填充1.1制备的复合吸附剂，应用环形模具加压5～10MPa，取下模具。
1.3 焙烧烘干：将翅片管整体烧结处理，使其在40℃，70℃，100℃的环境中加热50分钟，在140℃和180℃的温度下各加热40分钟，在200℃的环境中保温1小时后，空冷得到烧结沸石分子筛翅片单管。
利用此烧结沸石分子筛翅片管的吸附床与散装沸石颗粒吸附床相比，在其吸附性能基本不变的基础上，吸附平衡时，吸附剂间的有效导热系数为0.49Wm-1K-1，比沸石颗粒堆积床(0.06～0.09Wm-1K-1)提高了6倍左右，吸附剂与金属壁面间的接触热阻为1.3E10-3m2KW-1，比沸石颗粒堆积床(4.9～7.8E10-3m2KW-1)减小了75％左右，吸附床的总传热系数提高了4.6倍。
实施例2
2.1 原料配比：采用13X型沸石原粉和颗粒混合，两者的质量比为1∶1，添加沸石原粉质量10％的凹凸棒土，沸石原粉质量2％的高岭土，沸石原粉质量5％的石墨粉，搅拌均匀作为吸附剂原料。然后，加入模数为3.2的水玻璃混合水作为粘结剂，水玻璃与水的质量比为2∶1，吸附剂原料与粘结剂的质量比为3∶2。搅拌均匀得到复合吸附剂。
2.2 预处理及预固化：把应用超声波清洗器处理过的翅片管开4个矩形纵槽，在纵槽中预填矩形模具，然后在翅片中填充2.1制备的复合吸附剂，应用环形模具加压5～10MPa，取下模具。
2.3 焙烧烘干：将翅片管整体烧结处理，使其在50℃，90℃，的环境中加热50分钟，在130℃和170℃的温度下各加热40分钟，在200℃的环境中保温1小时后，空冷得到烧结沸石分子筛翅片单管。
利用此烧结沸石分子筛翅片管的吸附床与散装沸石颗粒吸附床相比，在其吸附性能基本不变的基础上，吸附平衡时，吸附剂间的有效导热系数为0.38Wm-1K-1，比沸石颗粒堆积床(0.06～0.09Wm-1K-1)提高了4.5倍左右，吸附剂与金属壁面间的接触热阻为2.6E10-3m2KW-1，比沸石颗粒堆积床(4.9～7.8E10-3m2KW-1)减小了45％左右，吸附床的总传热系数提高了3.5倍。
实施例3
3.1 原料配比：采用纯13X型沸石颗粒作为吸附剂原料，加入模数为3.2的水玻璃混合水作为粘结剂，水玻璃与水的质量比为2∶1，吸附剂原料与粘结剂的质量比为3∶1。搅拌均匀得到复合吸附剂。
3.2 预处理及预固化：把应用超声波清洗器处理过的翅片管开3个V型纵槽，在纵槽中预填V型模具，然后在翅片中填充3.1制备的复合吸附剂，应用环形模具加压5～10MPa，取下模具。
3.3 焙烧烘干：将翅片管整体烧结处理，使其在40℃，90℃，的环境中加热50分钟，在140℃和180℃的温度下各加热30分钟，在200℃的环境中保温1.5小时后，空冷得到烧结沸石分子筛翅片单管。
利用此烧结沸石分子筛翅片管的吸附床与散装沸石颗粒吸附床相比，在其吸附性能基本不变的基础上，吸附平衡时，吸附剂间的有效导热系数为0.32Wm-1K-1，比沸石颗粒堆积床(0.06～0.09Wm-1K-1)提高了4倍左右，吸附剂与金属壁面间的接触热阻为3.4E10-3m2KW-1，比沸石颗粒堆积床(4.9～7.8E10-3)减小了30％左右，吸附床的总传热系数提高了2.9倍。

Claims (3)

1、一种用于管壳式吸附床的烧结沸石分子筛翅片单管的制备方法，其特征在于，所述方法步骤如下：
(一)沸石分子筛复合吸附剂的制备。
(1)配置吸附剂原料
以沸石分子筛为原料，其形态为纯沸石分子筛原粉或者沸石分子筛原粉与颗粒以任意质量比混合；确定沸石分子筛原粉的质量以后，添加沸石分子筛原粉质量5～20％的凹凸棒土，沸石分子筛原粉质量2～10％的高岭土，沸石分子筛原粉质量1～15％的铜粉或者石墨粉，搅拌均匀作为吸附剂原料；
(2)加入模数为3.2的水玻璃混合水作为粘结剂，水玻璃与水的质量比为2∶1，吸附剂原料与粘结剂的质量比为3∶1～3∶2，搅拌均匀后得到沸石分子筛复合吸附剂；
(二)翅片单管的制作和前处理
(1)基管(3)外部焊接环形翅片(2)，每两片翅片(2)的间距小于或等于5mm，每片环形翅片上开2～6个V型纵槽(4)作为传质通道，槽深度为翅片管的高度；
(2)用超声波清洗器对翅片管进行清洗；
(三)、沸石分子筛复合吸附剂与翅片管的预固化
在经步骤(二)处理过的翅片管上预填和所开槽形状契合的V型模具，把步骤(一)制备的沸石分子筛复合吸附剂填充进翅片管翅片缝隙中，利用与翅片缝隙相契合的环形模具加压5～10MPa，然后取下V型模具和环形模具；
(四)焙烧烘干
将步骤(三)中制备的填充有沸石分子筛复合吸附剂的翅片管整体烧结处理，采用分段加热的方法，即在30℃～200℃的环境中分4～6段各段加热30～50分钟；其中，在30～100℃温度中，至少分两段，且每段烧结时间约50分钟，在200℃左右的环境中保温1～2小时后，空冷得到烧结沸石分子筛复合吸附剂翅片单管；
其中，所述的沸石分子筛为其孔径为
Figure A20071017253400021
的13X型沸石分子筛。
2、如权利要求1所述的一种用于管壳式吸附床的烧结沸石分子筛翅片单管的制备方法，其特征在于，所述方法的步骤一(1)所说的吸附原料为沸石分子筛颗粒。
3、如权利要求1所述的一种用于管壳式吸附床的烧结沸石分子筛翅片单管的制备方法，其特征在于，所述方法的步骤二(1)中的纵槽(4)为矩形纵槽。
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