零长柱法测定多孔材料晶内扩散系数的装置及方法制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种零长柱法测定多孔材料晶内扩散系数的装置及方法。所述装置由气室系统、吸脱附系统、数据采集和处理系统组成，吸脱附系统包括汽化室、吸附脱附室和检测室，其中吸附脱附室由并联的空白室和测量室组成；所述的吸附脱附室包括同轴的变径圆柱形腔体，载气沿轴向流动，腔体内包含两片叠合的圆形载片，所述的载片为多孔材料，载片之间填充吸附剂层，载片直径略小于大圆柱形腔体，装入大圆柱形腔体至变径处，另一端旋入内螺母以螺纹方式紧固。本发明专利技术装置可用于测定各种多孔材料的晶内扩散系数，较好地消除外部传质和传热以及轴向扩散对测定结果的影响，所测得的晶内扩散系数精度较高。

【技术实现步骤摘要】
零长柱法测定多孔材料晶内扩散系数的装置及方法
本专利技术涉及一种测定多孔材料晶内扩散系数的装置及方法，具体涉及一种零长柱法测定多孔材料晶内扩散系数的装置及方法，可用于测定吸附质在多孔材料中的晶内扩散系数。
技术介绍
吸附分离作为一种低能耗的分离技术，已经在化学工程和环境保护等领域受到越来越广泛的关注。吸附质在吸附剂材料内部的吸附或脱附过程主要包括三个过程：晶内扩散过程、晶粒间扩散以及与外界气流主体之间的传递过程。当其它扩散过程的阻力远小于晶内扩散过程的阻力时，整个吸(脱)附过程可视为晶内扩散过程控制，所测得的扩散系数称为晶内扩散系数。在吸附分离的研究中，测定吸附质在吸附剂内的晶内扩散系数是至关重要的研究内容。研究多相反应的本征反应动力学和设计多相反应器也需要知道反应分子在催化剂内部的晶内扩散系数，它是研究多孔材料内部传质过程的重要参数。晶内扩散系数的研究是一项比较有难度的工作，目前，测定晶内扩散系数的方法主要有吸附摄入量法(包括重量法和体积法)、频率响应法、时间滞后法以及脉冲梯度场核磁共振法等。以上这些方法主要存在以下几点问题：(1)、实验装置比较复杂，吸附剂装填难度较大；(2)、实验温度条件不易控制；(3)、受外部传质传热以及轴向扩散的影响较大从而容易带来实验误差。
技术实现思路
针对晶内扩散系数测定存在的技术问题，本专利技术的目的在于提供一种利用零长柱法测定多孔材料晶内扩散系数的装置。本专利技术的另一目的是利用所述的装置进行晶内扩散系数测定的方法。零长柱法的基本原理为：通过引入非常薄(厚度接近于0)的吸附剂层(柱)和采用强制流动的载气，从而减小外表面传质和传热的影响。在利用零长柱法测定晶内扩散系数时，其它扩散过程的阻力远小于晶内扩散阻力，故而整个吸(脱)附过程可视为晶内扩散过程控制。零长柱法的基本理论模型如下：假设吸附剂颗粒均为形状均一的球体，整个吸附-脱附过程是在等温条件下进行，吸附质分子在孔道中的扩散符合费克定律且吸附发生在线性区。基于以上假设，以流出物相对浓度表示的扩散方程可表示成如下形式：其中βn由下列方程所确定：βncotβn+L-1＝0#(2)L则由下式确定：其中F为载气流速，mL/min；K为亨利系数，无量纲；Vs为吸附剂体积，m3；R为吸附剂粒径，m。因此只要联立上述(1)，(2)，(3)式即可求出扩散时间常数进而求出晶内扩散系数值D。为实现上述专利技术目的，本专利技术采用的技术方案为：一种零长柱法测定多孔材料晶内扩散系数的装置，包括气室系统、吸脱附系统和数据采集和处理系统，其特征在于，所述的吸脱附系统在载气流动方向上依次包括汽化室、吸附脱附室和检测室，其中汽化室为吸附质装料室，吸附脱附室由并联的空白室和测量室组成，其中空白室不装填吸附剂用于进行空白实验，测量室装填多孔材料进行晶内扩散系数测量；所述的吸附脱附室包括同轴的变径圆柱形腔体，载气沿轴向流动，腔体内包含两片叠合的圆形载片，所述的载片为多孔材料，载片之间填充吸附剂层，载片直径略小于大圆柱形腔体，装入大圆柱形腔体至变径处，另一端旋入内螺母以螺纹方式紧固。本专利技术装置中，载片装入大圆柱形腔体中，变径处在该腔体一侧设有内螺纹，内螺母设有外螺纹，当载片装入大圆柱形腔体至变径处，另一端旋入内螺母，以螺纹方式将载片和吸附剂固定在变径处，紧固后可以得到尽可能薄的吸附剂层，接近于“零长柱”的状态，且保证吸附剂层在测定过程中的稳定。进一步地，所述的吸附脱附室腔体两端通过外螺纹和螺母与输气管相连。进一步地，所述的两枚圆形载片由直径较小的平面圆形底载片和直径较大的平面圆盘状盖载片组成，吸附剂装在底载片表面，盖载片与底载片紧密相扣。采用该结构吸附剂不易被载气吹走。所述载片采用多孔金属材料。进一步地，所述的检测室装有氢火焰离子检测器(FID)。进一步地，所述的气室系统包括氮气瓶。氮气瓶作为本专利技术装置的载气和吹扫气供应；载气和吹扫气通过三通阀进行切换。还可以包括氢气瓶和空气瓶(采用FID)，氢气瓶和空气瓶则是作为吸脱附系统中检测室FID的燃气供应。进一步地，所述的数据采集和处理系统包括放大器和记录仪，记录仪采用计算机安装的数据采集在/离线工作站进行数据记录。本专利技术还涉及一种利用上述的零长柱法装置进行多孔材料晶内扩散系数测定的实验方法，步骤包括：(1).将准确称量的多孔材料平铺在载片之间装入测量室，紧固后形成薄层，并往汽化室中装入吸附质。(2).打开气室系统气源(氮气、氢气和空气钢瓶气阀)，接通吸脱附系统以及数据采集和处理系统电源。(3).调节吸脱附系统设定温度至待测温度，打开检测室，将装置调节至吸附状态，依次对空白室和测量室测量，并开始数据采集。(4).待吸附稳定后，测量载气流速。(5).达到完全吸附后，将装置调节至脱附状态，待时间响应曲线纵坐标归零或趋于零且为稳定直线即表示脱附完全。(6).在数据采集和处理系统上得到时间-电压响应数据，将时间-电压响应数据进行归一化处理，并利用MATLAB建立数学模型求出测得的晶内扩散系数值。实验数据处理时，首先将数据采集在线工作站所得到的时间-电压响应数据进行归一化处理。以脱附分离突变点时间点为0时刻点，将电压数据进行归一化处理，处理公式如下：其中X0为0时刻点时的电压值，X1为脱附结束时刻的电压值，Xm为每一时刻点的电压值。上述电压值单位均为mV。归一化完成后，选取合适范围的30-50组数据导入-MATLAB程序中，采用非线性最小二乘拟合对式(1)-式(3)进行参数拟合。将扩散时间系数和L作为拟合参数，给定和L的初值，将L代入式(2)求得一系列的β1、β2、…、βn，再将实验数据(流出物相对浓度，即式(4)中的X)，t及L和β1、β2、…、βn代入式(1)，利用lsqcurvefit函数进行参数拟合，得到扩散时间常数和L值。将所得扩散时间常数和L值以及实验数据t回代入式(1)中求出相对浓度的拟合值，分别作出相对浓度实验值和拟合值对时间t的曲线图，观察拟合曲线对实验曲线的拟合程度从而判断所求得的扩散时间常数和L值的准确性，至满足预先设定的标准。本专利技术的有益效果：(1).实验装置简单，吸附剂装填容易且用量较少；(2).吸附脱附室采用空白室和测量室并联的结构，通过三通阀可以切换用于空白实验的吸附脱附室和用于测量扩散系数的吸附脱附室，方便对空白进行校正，避免吸附脱附室的重复拆装；(3).吸附脱附室采用变径结构，使得圆形金属载片和吸附剂能充分固定在吸附脱附室内；(4).两枚金属圆形载片能够紧密相扣形成密闭空间，得到尽可能薄的吸附剂层，接近于“零长柱”的状态，且保证吸附剂层在测定过程中的稳定，避免吸附剂因载气造成的流失；(5).能够较好地消除外部传质和传热以及轴向扩散对实验结果的影响。本专利技术的装置和方法相比其他测量方法和装置更加简单，所需吸附剂用量仅为几十毫克数量级，相比其他方法用量更少；由于引入了非常薄的吸附剂层(柱)和采用了强制流动的载气，从而能够大大减小传质和传热本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种零长柱法测定多孔材料晶内扩散系数的装置，包括气室系统、吸脱附系统和数据采集和处理系统，其特征在于，所述的吸脱附系统在载气流动方向上依次包括汽化室(11)、吸附脱附室(15、16)和检测室(17)，其中汽化室(11)为吸附质装料室，吸附脱附室(15、16)由并联的空白室(15)和测量室(16)组成，其中空白室(15)不装填吸附剂用于进行空白实验，测量室(16)装填多孔材料进行晶内扩散系数测量；所述的吸附脱附室(15、16)包括同轴的变径圆柱形腔体，载气沿轴向流动，腔体内包含两片叠合的圆形载片(31)，所述的载片(31)为多孔材料，载片(31)之间填充吸附剂层，载片(31)直径略小于大圆柱形腔体，装入大圆柱形腔体至变径处，另一端旋入内螺母(32)以螺纹方式紧固。/n

【技术特征摘要】
1.一种零长柱法测定多孔材料晶内扩散系数的装置，包括气室系统、吸脱附系统和数据采集和处理系统，其特征在于，所述的吸脱附系统在载气流动方向上依次包括汽化室(11)、吸附脱附室(15、16)和检测室(17)，其中汽化室(11)为吸附质装料室，吸附脱附室(15、16)由并联的空白室(15)和测量室(16)组成，其中空白室(15)不装填吸附剂用于进行空白实验，测量室(16)装填多孔材料进行晶内扩散系数测量；所述的吸附脱附室(15、16)包括同轴的变径圆柱形腔体，载气沿轴向流动，腔体内包含两片叠合的圆形载片(31)，所述的载片(31)为多孔材料，载片(31)之间填充吸附剂层，载片(31)直径略小于大圆柱形腔体，装入大圆柱形腔体至变径处，另一端旋入内螺母(32)以螺纹方式紧固。


2.根据权利要求1所述的零长柱法测定多孔材料晶内扩散系数的装置，其特征在于，所述的吸附脱附室(15、16)腔体两端通过外螺纹和螺母与输气管相连。


3.根据权利要求1所述的零长柱法测定多孔材料晶内扩散系数的装置，其特征在于，所述的载片由直径较小的平面圆形底载片(42)和直径较大的平面圆盘状盖载片(41)组成，吸附剂装在底载片(42)表面，盖载片(41)与底载片(42)紧密相扣。


4.根据权利要求1所述的零长柱法测定多孔材料晶内扩散系数的装置，其特征在于，所述载片(31)采用多孔金属材料。


5.根据权利要求1所述的零长柱法测定多孔材料晶内扩散系数的装置，其特征在于，所述的气室系统包括氮气源(1)，供应载气和吹扫气；载气和吹扫气通过三通阀(10)进行切换。


6.根据权利要求1所述的零长柱法测定多孔材料晶内扩散系数的装置，其特征在于，所述的检测室(17)装有氢火焰离子检测器。


7.根据权利要求1所述的零长柱法测定多孔材料晶内扩散系数的装置，其特征在于，所述的数据采集和处理系统包括放大器(19)和记录仪(20)，记录仪(20)采用计算机安装的数据采集在/离线工作站。


8.一种采用权利要求1所述的装置测定多孔材料晶内扩散系数的方法，包括如...

【专利技术属性】
技术研发人员：薛峰，张成，陈奇，高雪超，居沈贵，邢卫红，
申请(专利权)人：南京工业大学，
类型：发明
国别省市：江苏;32