CN106769638A - 一种基于气体消耗量测定分子筛吸附量的方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种气体消耗量测定分子筛吸附量的方法与装置，利用分子筛吸附气体后气体体积变化量，测定分子筛对该气体的吸附量。装置包括储气罐、吸附罐、气体源、真空泵、气体流量测量仪，气体截止阀、气管、真空显示单元、气体压力显示控制单元、分子筛床、金属加热丝、温度传感器、温度显示控制仪和分子筛。测试前真空泵给储气罐和吸附罐内部抽真空，气体通过气体质量流量仪到达储气罐和吸附罐，吸附达到平衡后，气体质量流量仪记录气体流量减去储气罐和吸附罐内剩余的气体量，即可测定分子筛的吸附量。利用该方法和装置测定了室温下沸石3A分子筛吸附HF气体在不同压强时的吸附量，操作简单方便。

Description

一种基于气体消耗量测定分子筛吸附量的方法及装置

技术领域

本发明涉及分子筛对气体吸附量的测定方法与装置，尤其涉及基于气体消耗原理测定分子筛吸附量的方法与装置。

背景技术

非链式电激励脉冲HF激光器使用SF₆和C₂H₆作为激光介质，两者在高压放电条件下会发生化学反应，生成激发态HF分子，激发态HF分子向基态HF分子跃迁形成激光输出，然而产生的基态HF分子对激发态HF分子具有显著的碰撞弛豫，形成无辐射跃迁，随着激光器长时间出光，反应产物基态HF分子的含量不断提高，从而导致在重复频率条件下激光输出能量的快速降低，严重影响激光能量稳定性和激光介质的使用寿命。

沸石分子筛具有均匀的微孔结构，孔道体积占到沸石分子筛总体积的50％之多，比表面积高(达350～1200m²/g)等特点，是一种优良的超微孔吸附剂，有很高的选择吸附分离能力，且高硅铝比值沸石的酸稳定性和热稳定性较好，可用于吸附分离激光介质中的基态HF分子，因此了解沸石分子筛吸附HF气体的饱和吸附量是具有十分重要的意义。

现有的分子筛吸附量测量方法包括重量法、热重法和卡尔·费休库仑法，其中卡尔·费休库仑法只适用于测定分子筛吸水量，而重量法和热重法适用范围较广。2012年许中强等人公开了一种方法及装置，其专利号分别为CN202126379U和CN102749259A，该方法适用于有机溶剂吸附量测量，利用真空密封容器形成低气压环境(小于50kPa)，减小空气中水份对吸附量测量准确性的影响，但是工作温度范围较小，只有15～30℃；且采用热重法测量吸附量，需要取出分子筛，操作不方便。2013年朱宝华等人公开了一种分子筛吸附量的测定装置，专利号为CN202903635U，该测定装置的特点为可在真空条件下，对吸附单元进行加热，对挥发性液体吸附，完成分子筛吸附量的测定，但是吸附单元采用玻璃材料，不适用于HF等腐蚀性气体，同样需要取出分子筛测量吸附量，操作不方便。2014年天津大学赵晓杰的硕士论文“沸石分子筛吸附特性与影响因素的研究”中公开了一种测量分子筛吸附量测量方法，在不锈钢密封容器中放入加热板和挥发性液体，分子筛置于加热板上，并用重力传感器监测分子筛的重量，获得分子筛的吸附量，这种方法操作方便，可用于腐蚀性气体，但不易控制气体态吸附质的压力。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种基于气体消耗量测定分子筛吸附量的方法与装置，可用于测量分子筛在不同温度和压强情况下对单一纯净气体(包括HF等腐蚀性气体)吸附量。该方法是利用两个已知体积的密封容器，其中一个为储气罐，另一个作为吸附罐，通过测量***内部气体体积的变化量，计算得到分子筛对该气体的吸附量。

本发明的技术解决方案是提供一种基于气体消耗量测定分子筛吸附量的方法，包括以下步骤：

1)采用两个密封容器，其中一个作为储气罐，体积为V₁，另一个作为吸附罐，体积为V₂，将预处理后质量为m、体积为V₃的分子筛放置在吸附罐中；

2)抽真空，使两个密封容器处在真空状态下；

3)储气罐充气，气体源通过气体质量流量仪给储气罐内充气，当容器内部气体压强处于设定气压后关闭气体源；

4)吸附罐充气，使分子筛的温度达到设定值，将吸附罐与储气罐连通，使储气罐的气体进入吸附罐，分子筛吸附气体；

5)间隔一定时间后关闭吸附罐与储气罐间的阀门，重复步骤3)和步骤4)；当容器内气体压力与设定气压的差值小于5％时定义分子筛达到饱和吸附状态；

6)通过公式(1)计算得到分子筛在设定温度和压强条件下的吸附量V_a；

(i＝1,2,3...)

其中T₀为室温，p₀为标准大气压，n为消耗气体的摩尔量，R为普适气体常量，M为气体的摩尔质量，m为预处理后放入吸附罐中的分子筛的质量，i表示实验中设定气压点，Q_i为气体质量流量仪显示的气体体积流量。

通过改变容器内的气体压强，重复步骤3)至5)，可测定不同压强下分子筛的吸附量。

本发明还提供了一种基于气体消耗量测定分子筛吸附量的装置，其特殊之处在于：包括储气罐、真空泵、与储气罐通过管道和阀门连通的吸附罐、设置于储气罐罐体上的压力显示控制单元与真空显示单元；

上述储气罐通过管道及阀门与被吸附气体源相连，在该段管道上设置有气体质量流量仪，气体质量流量仪用于记录气体消耗量；

上述真空泵通过管道及阀门与储气罐连接；

上述吸附罐内部设置有放置分子筛的分子筛床；

还包括温度控制单元，上述温度控制单元与分子筛床接触，用于控制分子筛的温度。

优选的，上述储气罐包括罐体和盖板，上述盖板上设置有多个连接端口，分别连接压力显示控制单元、真空显示单元与真空泵。

上述吸附罐包括罐体和上盖板，上述上盖板上设置有多个通孔；其中一个通孔上设置有陶瓷金属封接电极；

上述分子筛床通过支撑杆固定于罐体内，上述支撑杆为L型空心金属管，上述空心金属管的一端密闭，上述支撑杆的空心端的外径与通孔直径相同，支撑杆的空心端与所述多个通孔固连，密闭端用于固定分子筛床。

上述温度控制单元包括加热装置、温度显示控制仪及温度传感器；

上述加热装置设在分子筛床底部，加热装置的输入电源线经过陶瓷金属封接电极连接到温度显示控制仪，上述温度传感器通过多个空心金属管连接到分子筛床底部。

为了适用多种气体包括如具有腐蚀性的HF气体等，上述储气罐和吸附罐为不锈钢密封容器。

优选的，本发明装置中的管道为金属管道。

上述压力显示控制单元包括压力传感器和压力显示控制仪；上述真空显示单元包括真空规管与真空计。

为了使分子筛表面与气体充分接触，上述分子筛床为不锈钢网。

上述加热装置为加热丝。

本发明的有益效果是：

1、本发明通过气体消耗量测量分子筛的吸附量，无需取出称重，直接方便，准确性较好，且一次填装分子筛，可获得从低到高多个气压下分子筛的吸附量，操作简单。

2、本发明采用密封容器，减小了空气中水份对分子筛吸附特定气体吸附量准确性的影响，测量吸附量更加准确。

3、本发明利用气体质量流量计自动记录气体消耗量，准确、易操作。

4、本发明中密封容器采用不锈钢材料，适用多种气体，包括HF等腐蚀性气体。

5、本发明密封容器采用不锈钢材料，耐压性能强，可在较宽气体压力范围内测量分子筛吸附量，气压变化范围0～1MPa。

6、本发明采用采用了温度自动控制***，温度控制精度高。

附图说明

图1是本发明装置结构示意图；

附图标记为：1-储气罐；2-吸附罐；3-被吸附气体源；4-真空泵；5-气体质量流量仪；6a、6b、6c、6d-气体截止阀门；7-管道；8-真空显示单元；9-压力显示控制单元；10-分子筛床；11-加热丝；12-温度传感器；13-温度显示控制仪；14-分子筛。

具体实施方式

以下结合附图对本发明做进一步的描述。

如图1所示，基于气体消耗量测定分子筛吸附量的装置中，被吸附气体源3用于供给气体吸附质，通过气体截止阀6a与气体质量流量仪5相连、然后连接到储气罐1，为了减小测量误差，气体源到储气罐的气管采用外径6mm的细金属管道。为了提高气体消耗量的测量精度，选用小量程高精度的气体质量流量仪，其量程为0～500mL/min。

储气罐的体积为50L，由腔体和盖板组成，盖板和腔体之间通过聚四氟乙烯密封垫密封，真空度可达到帕级。盖板上设有多个连接端口，分别连接真空泵4，真空显示单元8和压力显示控制单元9。真空泵利用直径25mm的波纹管与储气罐相连，为避免真空泵带来的油蒸汽的影响，在真空泵与储气罐中加有气体截止阀门6c，气体截止阀的通径为25mm，真空泵的抽速为4L/s。在储气罐腔体的侧面设有一个内径为25mm的气体连接端口，用于连接吸附罐。

吸附罐2的体积为50L，由腔体和上盖板组成，上盖板和腔体之间通过聚四氟乙烯密封垫密封，真空度可达到帕级。上盖板上设有五个通孔，其中四个直径为6mm，用于固定分子筛床10的支撑；另一个的直径为25mm，用于安装陶瓷金属封接电极。分子筛床支撑为四根L型的金属管，它们的外径为6mm、内径为3mm，这些金属管一端密闭，一端空心，四根支撑的空心端面分别焊接在上盖板中四个直径6mm的通孔处。为了使分子筛表面与气体充分接触，分子筛床选用不锈钢网，固定在四根支撑上。金属加热丝11安装在不锈钢网底部，其功率为200W，用于给分子筛加热，金属加热丝的输入电源线经过陶瓷金属封接电极连接到温度显示控制仪13。温度传感器12通过四个空心支撑连接到分子筛床底部，探测分子筛14的温度，温度传感器选用热电偶，精度为0.5℃。温度显示控制仪通过控制金属加热丝电源通断实现分子筛温度精确控制。吸附罐腔体侧面设置有通径25mm的端口，通过一根金属管与储气罐相连，金属管道的内径为25mm，且吸附罐和储气罐之间利用通径25mm的气体截止阀6d实现联通和隔离。

从公式(1)可知，储气罐和吸附罐的体积是影响吸附量准确性的因素之一，为了减小误差，需要利用已知体积的容器对储气罐进行标定，设储气罐体积的标定值V₁(包括各个连接口的体积)，然后利用储气罐标定出吸附罐的体积为V₂(包括分子筛床及支撑)。

在进行吸附量测量时，操作步骤如下：

1.将预处理后已知质量m、体积V₃的分子筛15平铺放置在分子筛床上，立即给储气罐和吸附罐抽真空，真空达到10帕量级后，同时利用温度显示控制仪将分子筛的温度控制在要求值；

2.打开气体流量测量仪，给储气罐充入气体，当其气压达到设定值时，关闭位于被吸附气体源与储气罐之间的气体截止阀门，然后打开两个罐体之间的气体截止阀门，使气体流入吸附罐中，分子筛吸附气体，一定时间后关闭隔离阀，重新给储气罐充气至设定气压，重复实验，直至在规定时间内容器内气体压力变化小于设定值的5％时，认为此设定气压下分子筛已达到饱和吸收；

3.读取气体流量测量仪上的气体流量，并根据公式(1)计算出分子筛的饱和吸附量；

4.改变气体压强、重复实验，测定其它压强条件下分子筛的吸附量，即可实现在不取出分子筛的情况下，完成同一温度、不同气体压强条件下分子筛吸附量的测量。

本发明不局限于上述具体实施方式，比如储气罐和吸附罐的形状不限于立方体，体积不限于50L；分子筛床不限吊装在上盖板上，温度传感器不限于热电偶。

Claims (10)

1.一种基于气体消耗量测定分子筛吸附量的方法，其特征在于：包括以下步骤：

1)采用两个密封容器，其中一个作为储气罐，体积为V₁，另一个作为吸附罐，体积为V₂，将预处理后质量为m、体积为V₃的分子筛放置在吸附罐中；

2)抽真空，使两个密封容器处在真空状态下；

3)储气罐充气，气体源通过气体质量流量仪给储气罐内充气，当容器内部气体压强处于设定气压后关闭气体源；

4)吸附罐充气，使分子筛的温度达到设定值，将吸附罐与储气罐连通，使储气罐的气体进入吸附罐，分子筛吸附气体；

5)间隔一定时间后关闭吸附罐与储气罐间的阀门，重复步骤3)和步骤4)；当容器内气体压力与设定气压的差值小于5％时定义分子筛达到饱和吸附状态；

6)通过公式(1)计算得到分子筛在设定温度和压强条件下的吸附量V_a；

$p_0(Q_i-(V_1+V_2-V_3\left)\frac{p_i}{p_0}\right)={\mathrm{nRT}}_0$

(i＝1,2,3...)

$V_a=\frac{n\·M}{m}---\left(1\right)$

其中T₀为室温，p₀为标准大气压，n为消耗气体的摩尔量，R为普适气体常量，M为气体的摩尔质量，m为预处理后放入吸附罐中的分子筛的质量，i表示实验中设定气压点，Q_i为气体质量流量仪显示的气体体积流量。

2.根据权利要求1所述的一种基于气体消耗量测定分子筛吸附量的方法，其特征在于：

通过改变容器内的气体压强，重复步骤3)至5)，可测定不同压强下分子筛的吸附量。

3.一种基于气体消耗量测定分子筛吸附量的装置，其特征在于：包括储气罐、真空泵、与储气罐通过管道和阀门连通的吸附罐、设置于储气罐罐体上的压力显示控制单元与真空显示单元；

所述储气罐通过管道及阀门与被吸附气体源相连，在该段管道上设置有气体质量流量仪；

所述真空泵通过管道及阀门与储气罐连接；

所述吸附罐内部设置有放置分子筛的分子筛床；

还包括温度控制单元，所述温度控制单元与分子筛床接触，用于控制分子筛的温度。

4.根据权利要求3所述的一种基于气体消耗量测定分子筛吸附量的装置，其特征在于：所述储气罐包括罐体和盖板，所述盖板上设置有多个连接端口，分别连接压力显示控制单元、真空显示单元与真空泵。

5.根据权利要求3或4所述的一种基于气体消耗量测定分子筛吸附量的装置，其特征在于：所述吸附罐包括罐体和上盖板，所述上盖板上设置有多个通孔；其中一个通孔上设置有陶瓷金属封接电极；

所述分子筛床通过支撑杆固定于罐体内，所述支撑杆为L型空心金属管，所述空心金属管的一端密闭，所述支撑杆的空心端的外径与通孔直径相同，支撑杆的空心端与所述多个通孔固连，密闭端用于固定分子筛床。

6.根据权利要求5所述的一种基于气体消耗量测定分子筛吸附量的装置，其特征在于：所述温度控制单元包括加热装置、温度显示控制仪及温度传感器；

所述加热装置设在分子筛床底部，加热装置的输入电源线经过陶瓷金属封接电极连接到温度显示控制仪，所述温度传感器通过多个空心金属管连接到分子筛床底部。

7.根据权利要求6所述的一种基于气体消耗量测定分子筛吸附量的装置，其特征在于：所述储气罐和吸附罐为不锈钢密封容器。

8.根据权利要求7所述的一种基于气体消耗量测定分子筛吸附量的装置，其特征在于：管道为金属管道。

9.根据权利要求8所述的一种基于气体消耗量测定分子筛吸附量的装置，其特征在于：所述压力显示控制单元包括压力传感器和压力显示控制仪；所述真空显示单元包括真空规管与真空计。

10.根据权利要求9所述的一种基于气体消耗量测定分子筛吸附量的装置，其特征在于：所述分子筛床为不锈钢网；所述加热装置为加热丝。