乙烯/乙烷络合分离吸附剂的制备及表征

【摘要】： 分离过程的高选择性、高分离能力及高传质速率是其追求的目标，对于难以用物理法分离或物理法分离能耗甚高的体系，则着眼于研究高分离能力的化学方法，这已成为改进传统分离技术的一个重要发展方向。 传统的低温精馏法分离乙烯／乙烷，能耗巨大。络合吸附分离是将π络合反应与吸附过程相结合的分离方法，用于乙烯／乙烷的分离具有潜在的节能优势，其关键是络合分离吸附剂的开发。本文在综述了络合吸附分离研究进展及工业应用现状的基础上，探讨络合吸附机理，制备高选择性、高分离能力的乙烯络合吸附剂，并研究新型络合分离吸附剂的吸附平衡及固定床动态吸附行为，为低能耗的乙烯／乙烷分离新过程的工业应用奠定基础。 CO与C_2H_4都能与某些过渡金属离子如Cu~+，Ag~+发生可逆络合反应，CO络合分离已经有许多工业应用实例，而乙烯络合分离的工业应用至今尚未见报道。本文从CO络合与乙烯络合分离的差别出发，采用量子化学计算工具，结合分子轨道理论，研究络合物分子的构型、络合物分子中各原子间的电荷分布和电子转移以及络合键能，比较CO、C_2H_4和C_3H_6分别与CuCl、AgCl的相互作用，揭示CO、C_2H_4和C_3H_6与CuCl、AgCl发生络合反应的实质，结果表明：CO、C_2H_4和C_3~-H_6均能与CuCl、AgCl发生络合反应，其络合能力大小为：CO＞C_2H_4＞C_3H_6；对同一配体，CuCl的络合能力大于AgCl。从空间结构看，CO与CuCl的络合物为直线结构，而乙烯与CuCl的络合物则为平面三元环结构。这些研究结果的取得不仅可以给出CO和C_2H_4络合能力差异的合理解释，也为新型乙烯络合分离吸附剂的制备提供了理论指导。 通过比较CO和C_2H_4络合吸附及其分离体系的不同特点，在络合吸附剂制备过程中，本文提出以表面氧化改性活性炭为载体的设想，并考察了活性炭氧化改性前后负载CuCl的微观特征，研究了CuCl在活性炭表面的单层分散，用现代固体表征方法如BET、XRD以及TEM进行了表征。探讨了活性炭负载CuCl吸附剂的制备工艺，得到新型络合分离吸附剂。与文献报道的乙烯络合吸附剂相比，本文制备的吸附剂具有较大的乙烯选择性、较低的吸附热和稳定的变压再生特性，因此具有更好的工业应用前景。 对所研制的络合吸附剂，测定了乙烯、乙烷纯组分及其二元混合气吸附平衡数据，依据络合吸附剂的吸附机理，建立了分别考虑物理吸附和化学吸附的吸附平衡模型，模型不仅可以很好地关联乙烯、乙烷纯组分在络合吸附剂上的吸附平衡数据，参数物理意义明确，而且可以实现从单组分模型参数预测二元 南京工业大学博士学位论文 摘要 混合组分在络合吸附剂上的吸附平衡，为络合吸附剂工业应用提供了必要的基 础数据和设计依据。 研究了乙烯／乙烷及其二元混合体系在络合吸附剂上的吸附动态性能，比较 了浓度、温度、压力和流量对穿透曲线的影响，并实验测定了在惰性气吹扫的 条件下络合吸附剂的再生流出曲线，结果对乙烯乙烷混合气体循环吸附分离过 程的设计提供了重要的数据。在实验的基础上建立了孔扩散模型，模型不仅可 以比较好地拟合乙烯、乙烷在络会吸附剂上的吸附透过曲线，而且可以预测其 再生透过曲线，为络合吸附剂的工业应用提供了设计优化工具。 在上述研究工作基础上，本文从络合吸附剂的工业应用可行性角度，考察 了络合吸附剂对工业实际排放气的适应性，研究了络合吸附剂对N卜CH八CO。、 O。等气体的吸附选择性以及变温、变压循环吸附特性，并提出采用真空变压吸 附（VPSA）工艺回收环氧乙烷尾气中乙烯的方法。结果表明，由于本文研制的 络合吸附剂具有常温真空再生的稳定性和可行性，装置规模不大，操作方便， 运行成本低，经济效益显著。进一步表明本文开发的络合吸附剂具有良好业应 用前景。

【学位授予单位】：南京工业大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2002
【分类号】：TQ424