载乙醇活性炭在微波场中的升温行为研究

第3卷第1期Vol. 3. No. I2003年2月Journal of Safety and EnvironmentFeb,2003文章编号:1009-6094(2003)01-0040-04载乙醇活性炭在微波场中的升温行为研究王宝庆1,葛嫒群2,郑晓明2(1西安建筑科技大学环境工程系,西安710055:2河北省滦县环保局,河北滦县063700)摘要:研究了载乙醇活性炭在微波场中的升温行为。主要包括水和乙醇在微波场中的升温情况,以及微波功率、活性炭量、氮气线速对活性炭升温行为的影。结果表明水与乙醇在微波场中能吸收微波能,从而使其温度升高。微波功率越大,活性炭升温越快,活性炭最高温度也更高。活性炭少于5g时温度上升速率随活性炭量的增加而加快,活性炭量多于5g时则相反。氬气线速增加.活性炭升温速率下降,活性炭最高温度降低关键词:微波加热;活性炭再生;乙醇中图分类号:X703.1献标识码:A醇能吸收微波能并将其转变为热能,而且微波功率不同,温度引言升高速率也不同。功率越大,乙醇温度上升越快。如功率为700乙醇生产过程中产生的淡酒液,主要含有乙醇(5%~W时,只需10s就上升到73C沸腾而功率为100W时,则需8%1)及少量酯类和酸类物质。目前对此类淡酒液主要采用排75才能上升到73C沸腾放的方法处理。若采用吸附法,可将这类淡酒液回收山传统变温解吸可通过间接加热吸附剂或直接与热气体接触来实现。对活性炭,传统变温解吸法需加热的时间很长并且能量消耗大。总之,吸附法的经济性主要取决于吸附剂的再生方式热再生方法可以通过引入微波能加热被解吸的物质得到改进,与传统的热再生方法相比,微波加热有以下优点2:1)热量的引入通过电磁能的传输直接进入吸附剂內部,即体积加热;2)微波加热温度均匀;3)解吸速度快:4)与吸附剂的电子损失相比,被蒸发吸附质的电子损失更高,因此能实现对吸附质1—微波炉(2450MHz);2—石英玻璃管反应器的选择加热3一铠装热电偶:4—数显温度指示仪利用微波能解吸载乙醇活性炭,解吸时间由于微波能的利图1再生与测温部分装置用可以成倍缩短。微波解吸的另一个特点是可以回收乙醇,且Fig. 1 Device of reger无其他副产物。相对传统的加热方式,微波解吸再生吸附剂对于乙醇这类极性物质是一种经济的选择,微波解吸是再生活性炭的一种很有发展前景和优势的再生手段1试验仪器与装置EO1.1仪器一功率:1009rPτ00型微波炉,特制石英玻璃管,电光分析天平1.2试验装00一与书:350w再生与测温部分装置如图1所示。合一功率:7002试验结果2.1水与乙醇在微波场中的升温行为Radiation time图2微波功率对无水乙醇升温的影响考察载乙醇活性炭在微波场中的升温行为,主要考察无水Fig. 2 Influence of microwave power on pure alcohol乙醇和活性炭在微波场中的升温行为,为后续试验作准备temperature不同功率下无水乙醇在微波场中的升温行为如图2所示。图2(分析样品体积为20mL)表明,将分析纯乙醇液体置在微波功率350W、溶液体积20mL时,纯水和浓度不同于特制石英玻璃管里放在微波场中,乙醇温度会上升,说明乙的乙醇溶液在微波场中的升温行为如图3所示2003年2月王宝庆,等:载乙醇活性炭在微波场中的升温行为研究41从图3可以看出,无水乙醇温度升到73C沸腾,而纯水温由图4可知,其他条件相同时微波功率对活性炭的升温行度升到⑨4℃沸腾、所测定的已知浓度的乙醇溶液温度也是升为旳影响主要体现为随着微波功率増大,活性炭最终能达到的到Ω4℃沸腾。由乙醇一水溶液的沸点组成图可以得岀,乙醇在温度增高,增加功率可缩短加热时间,加快升温速率。从试验所液相中的含量等于1%时,乙醇溶液的沸点为93.10C,所以所使用的2种功率来看,当微波功率为350W时,活性炭温度最测的2种浓度的乙醇溶液的沸点与纯水的沸点基本一致。多只能升高到680C;当微波功率为700W时,活性炭最高温度可以达到1050C微波功率与活性炭最高温度的关系见图5。微波功率与活性炭最高温度呈线性关系,由此可见在这样的温度条件下,再生过程中如果要改变活性炭能达到的最高温度可以通过调节微波功率来实现;改变微波功率可以改变活性炭的升温速率-无水乙醉一一乙醇:1580mg/L200乙醇:158mg/L000一纯水Radiation time/s600图3乙醇浓度对乙醇升温的影响Fig. 3 Influence of alcohol concentration on temperature根据纯乙醇和纯水在10132.5Pa下的沸点分别为78.3C和100C,而昆明所处的当地大气压强为8079.3Pa,可以算出纯乙醇和纯水的沸点分别为73C和94C,这与所测得的Microwave power P/w图5微波功率对活性炭最高温度关系乙醇和水的沸腾温度相吻合2.2活性炭在微波场中的升温行为temperature of activated carbon将载乙醇的活性炭或新鲜活性炭放在微波炉中也能很快被加热,但是由于本试验主要研究活性炭对乙醇的吸附及其在场中的解吸行为,因此,研究活性炭在微波场中的升温行的热交换达到平衡来解释。设一定质量的活性炭放在反应器为对于探讨整个再生机理具有重要的意义。影响活性炭在微波中,其体积和表面积分别为V和A;如加热时不通氮气,假设反场中升温行为的主要因素是微波功率、活性炭量、载气线速等·应器周围环境温度始终维持T。不变;活性炭层均匀吸收微波。所以本研究首先考察上述3因素对活性炭升温行为的影响,然试验结果显示,一定量活性炭在指定功率的微波场中,经过·后在此基础上从定量的角度来描述活性炭在微波场中的升温行为。段时间后温度都会趋向某一固定温度,可维持恒温,说明活性2.2.1微波功率对活性炭升温的影响炭在微波场中升温并不存在温度“失控效应”,即活性炭的损耗因子不会随温度的升高而增大,活性炭的各种性质参数与微波为考察微波场功率对活性炭升温行为的影响取5g活性场的存在与否关系不大,故假设活性炭的介质常数c和介质的炭置于反应器中,在不通氮气的条件下,分别调节微波功率至350W和700W,通过热电偶测温系统读取各时刻的温度,温损耗系数tgδ不随温度的变化而变化,那么活性炭吸收的微波功率P应为4度随时间的变化情况如图4所示。P=(1/1.8)fE2 E, got10-12式中P为活性炭吸收的微波功率,W:∫为微波的频率,Hz;E为电场强度,V/cm;tgδ为介质的损耗系数;ε为活性炭的介质常数;V为活性炭的体积反应器向周围环境的传热方程可表示为功率:100中=KH·A·(T-T)一功率:350W式中φ为活性炭向周围环境的传热速率,W;KH为总传热系数,W/(cm2·K);A为活性炭层的表面积,cm2;为活性炭的功率;700W温度,K;T。为反应器周围温度,K。这样当活性炭层吸收的能量和环境的能量交换达到平衡100时,应满足图4微波功率对活性炭升温的影响(3)第3卷第1期数,故此时T也应为常数,即能量交换达到平衡后,活性炭的在一定体积范围內的,由于微波输出功率一定,物料质量(体温度应趋向于某一常数并保持不变,活性炭温度不会产生¨失积)太大,单位质量(体积)物料吸收的微波能量必然减少,由此控”而无限升高。另外,当微波功率一定时,即式(4)式左边值不也导致活性炭量过多时升温速率和最高温度降低变,那么右边因KH、A、T。为与微波功率无关的常数,则T为因此,欲加快活性炭的升温速率,应当适当选择活性炭量个与微波功率相关的值,而且微波功率越大,T值越大,即活但在实际操作中,活性炭量的选择还应考虑淡酒液量、浓度及性炭的温度越高。吸附剂的操作周期等因素2.2,2活性炭量对活性炭升温的影响2.2.3载气线速度对活性炭升温的影响与其他加热方式不同,试验表明,活性炭在微波场中的升在再生过程中通载气时,由于载气温度较已加热的活性炭温行为还与放入反应器的活性炭量有关。研究进行了如下的试低,故载气从反应器通过时,必然会帶走部分热量,这样就导致验来考察活性炭量对活性炭升温过程的影响情况活性炭升温情况不同。试验固定微波加热功率为350W,活性固定加热的微波功率为350W,不通氮气分别取不同质炭量为5g,然后改变氮气线速度分别为0.2m/s、0.1m/s和量的活性炭于反应器中进行加热,通过热电偶测温系统,观察0,测定3种情况下活性炭的升温行为,实验结果如图8所示在不同活性炭质量时的升温过程。不同质量活性炭的升温曲线氮气线速率与活性炭最高温度的关系如图9所示如图6所示。活性炭量与活性炭最高温度的关系如图7所示。800600士△△-4300-13.1943g活性炭U-0一5.3361g活性炭一U=0.lm3.57148活性-U-0.2m080450200图8氮气线速度对活性炭升温的影响图6不同质量活性炭的升温曲线Fig. 6 Curve of temperature on different massFig8 Influence of nitrogen liner speed on temperature400612Carbon mass/g00.050150.20.25图7活性炭量与活性炭最高温度的关系(时间为18s)Fig. 7 Relationship between activated carbon mass and图9氮气线谏度与活性炭最高温度的关系(时间为180s)Fig9 Relationship between nitrogen liner speed andmaximal temperature of activated carbon从图6和7可以看出,在活性炭量为0~5g内,随着活性炭量的增加活性炭的升温速率加快,能达到的温度也更高;但由图8和9可见,随着氮气线速度的增加,活性炭的升温是当活性炭超过5g时升温速率反而降低,能达到的温度也明速率明显变慢,所能达到的最高温度降低,这是通入载气后给显低于活性炭量较小时。其原因为,由式(1)可知,微波对物料活性炭升温带来的直接影响,因而,从活性炭升温的角度考虑,的加热属于体积加热,体积越大,相同微波功率时物料吸收的再生过程中载气的线速度越小,活性炭的升温越快,否则,将会功率也越大本试验使用的是同一种活性炭质量与体积成正便活性炭的升温变慢,不利于乙醇再生,同时载气流量过大将比所以活性炭质量越大吸收的功率也相应增大,但是,质量使出口乙醇浓度降低,不利于乙醇的后续处理。另外,由图9还可以看出,活性炭的最高温度与氮气线速度近似呈线性关系2003年2月王宝庆,等:载乙醇活性炭在微波场中的升温行为研究43活性炭吸收的热量是一定的,而随着氮气流量的增大,其在单3)微波功率越大,活性炭升温越快,活性炭最高温度更高位时间带走的热量也必然增多,这样,活性炭的升温速率将下4)在本文试验条件下(350W,不通氮气),活性炭少于5g降,达到热交换平衡时活性炭层的温度同样下降。根据式(4),时温度上升速率随活性炭量的增加而加快,活性炭量多于5g当氮气流量不为0,设氮气进口温度为T,氮气流量为Q,氮时则相反。气的比热为CN,氮气密度为pN,由氮气带走的热量为 QNtPNCN5)氮气线速增加,活性炭升温速率下降,活性炭最高温度(T-T),式(4)变成降低。(1/1.8) fEa.tov10-12=References(参考文献):KHA(T-TO)+QNLPNCNO由式(5)可以看出,其他条件不变时,活性炭的最终温度随1] Qin Yaozong(秦耀宗). Alcohol Techniques(乙醇工艺学)[M]氮气流量的增大而下降,这个结论与图9的试验结果吻合。Beijing: China Light Industry Pre2] Peng Jinhui(彭金辉). Manufacture of activated carbon with3结论radiation [J]. Chemistry and In在对载乙醇活性炭在微波场中的升温行为研究后可以得dustry of Forest Products(林产化学与工业),1997,17(2):80出如下结论。[3] Wu Zhengxian(吴正娴).P' rinciple of Microwave(微波原理)1)水与乙醇在微波场中能吸收微波能,从而使其温度升2)微波功率活性炭量氮气线速是影响微波场中活性发[M. Wuhan: Wuhan University Press,1985高,微波功率越大,升温速率越快[4] Qian Hongsen(钱鸿森). Technology and Application of Heatinghry Microwave radiation(微波加热技术及应用)[M]. Harbin:升温的主要因素。Heilongjiang Science and Technology Press. 1985TEMPERATURE RISING BEHAVIOR OF ALCOHOL-LOADEDACTIVATED CARBON BY MICROWAVE RADIATIONWANG Bao-qing, GE Ai-qun", ZHENG Xiao-min(1 Department of Environment Engineering, Xi'an University of Science and Technology, Xi'an 710055, China2 Environmental Protection Agency of Luanxian in Hebei Province, Luanxian 063700, Hebei, ChinaAbstract: The present paper aims at testing the temperature rising behavior of alcohol-loaded activated carbon by microwave radiation. The experiments the paper has done include those with the temperature of water, the increase of alcohol and activated carbondue to microwave radiation, the influence of microwave power, the mass of activated carbon and the liner speed of nitrogen on thetemperature rise. The results of the above experiments show that water and alcohol can absorb microwave energy which may ac-count for the increase of their temperature. The stronger the microwave energy is, the more quickly the temperature increaseswhen water and alcohol are heated by microwave energy. And, in turn, with the increase of the microwave energy, the temperature with activated carbon will increase more obviously. That means the increase of the temperature of activated carbon is going onith the increase of the mass of activated carbon in case that the mass of activated carbon is less than 5 gram. However, when themass of activated carbon is larger than 5 gram the opposite will happen. That is to say, the temperature rate and the maximal temperature of activated carbon will decrease with the increase of the liner speed of nitrogenKey words microwave heating:activated carbon regeneration alcohoCLC number: X703. 1 Document code: AArticle ID):1009-6094(2003)01-0040-04(ournal of Safety and Environment 2003, Vol 3, No. 1)第八届中国国际环保展览暨会议( CIEPEO2003)主办单位:国家环境保护总局承办单位:中国环境保护产业协会时间:2003年6月5-8日地点:中国国际展览中心·北京联系:010-68394581朱先生网址:www.chinaenvironment.com