几种组合吸附剂的吸氢等温线的测定及分析(1)

来源:真空技术网(www.chvacuum.com)上海交通大学制冷与低温工程研究所 作者:陈树军

  真空绝热储罐中吸附剂对于获得并保持夹层在低温下的真空度具有重要的作用。夹层的真空寿命很大程度上取决于吸附剂的特性、装入量及其作用能否充分发挥 。国内外的大量测试表明 ,金属材料及多层绝热材料在100℃以上热环境中真空放气一段时间后,其放气组份中H2占70%以上。低温绝热容器常用5A分子筛活性碳作为夹层的吸附剂。但是在液氮温度下它们对氢气的吸附量很小,不能满足实际应用的需要。因此,H2气是引起真空绝热储罐夹层真空度下降的主要原因。若不使用专门的吸气剂吸氢的话,设计的真空寿命无法满足。而且单独使用物理吸附剂还存在以下的问题:

  (1) 真空解析除湿时至少需要加温至150℃~200℃,额外消耗能量;

  (2) 低温容器经常在常温与低温交变中使用,因此吸附剂也常处在常温及低温的变化状态。吸附剂在降温时吸附气体,放出吸附热,低温液体的蒸发损失增大;相反,升温时,吸收能量而使气体脱附,造成额外的能量损失。

  另外,基于锆的非蒸散型吸气剂广泛应用于高真空的场合,但是由于它受限制的吸附能力和需要加热到300℃以上的高温活化,这些吸气剂不能应用到高真空多层绝热储罐中 。为此,真空技术网的另外篇文章提出了用组合化学吸气剂代替物理吸附剂,以解决上面的问题,同时也提到液氧容器不能用活性碳作为吸附剂,液氢容器不能用一氧化钯作为吸气剂,否则会存在爆炸的危险。关于对H2的吸附,过渡金属氧化物在这方面具有独特的优点。很多学者提出了用PdO来吸附。它是一种优质的吸气剂,其吸氢过程较复杂,既有化学反应又存在吸附。但是他们只是简单地提了一下,与之配套的吸附剂的选用、PdO的用量等大多采用经验,半经验的设计方法。

  经过调研发现,有的公司在175l的气瓶中使用了1g吸气剂,而另一公司在相同的瓶子中却仅仅使用了0.75g的吸气剂。尽管使用量减少了,但是也能达到同样的效果,节省了开支。表征吸气剂吸气性能的特征参数主要有吸气速率和吸气量 。吸氢等温线全面反映了组合吸附剂在真空夹层条件下的吸氢特性,利用它可以对吸附剂在真空夹层中的吸附作用进行定量分析与计算。因此,测定组合吸附剂在低压常温下的吸氢等温线,并总结出各种组合吸附剂在一定应用范围内的吸氢等温方程式,寻找新型组合吸附剂,为我国低温吸附的设计应用提供依据,具有十分重要的意义。

  本文使用的组合吸附剂是由5A分子筛和不同比例的PdO和Ag2O组成的。测定了它们在低压常温下的吸氢等温线,并对不同的放置方式进行了比较。对所测吸氢等温线进行了详细的分析,拟合出一定应用范围内的吸氢等温方程式。

1、实验装置及步骤

1.1、实验装置

  测试采用定容法,实验装置如图1所示,主要由下面几部分组成:1-吸气剂,2-托盘,3-5A分子筛,4-复合真空计,5-绝热材料,6-真空夹层,7-储罐,8-电阻规,9-电离规,10-真空阀,11-标定容器,12-真空机组,13-氢气瓶,14-氢气减压器,15-计算机

组合吸附剂的吸氢实验装置

  (1) 真空多层绝热储罐:用于贮存被测试的组合吸附剂,它由内外筒体构成,筒体材料是0Cr18Ni9,外筒体的尺寸是Ф300 ×2mm, 内筒体是Ф200×2mm ,内筒体的直筒段长度是750mm,上下都是EHA椭圆形封头;外筒体直筒段长度是1041mm ,它的下封头也是EHA 椭圆形的,上封头却是平板形的。

  (2) 氢气瓶:含氢量≥99.999 %的高纯氢气,氢气质量符合GB/ T74552-995 的规定。

  (3) 标定容器:它有三个端口,分别连接真空机组、氢气瓶和储罐,用于测定被吸附的气体量。

  (4) 真空机组:包括前级泵分子泵,主要用来对储罐和标定容器进行抽真空。另外,控制标定容器的真空度数值。

  (5) 测量系统:包括一个智能大气压力计和两个复合真空计ZDF-5227。

1.2、实验步骤

  实验前,将5A分子筛和吸气剂放到储罐夹层空间的指定位置处,并对5A分子筛进行加热干燥处理。加热温度≤150℃, 连续加热时间不少于24h,以除去分子筛在放置过程中所吸附的H2O。在分子筛加热干燥处理的同时,储罐夹层空间由真空机组抽真空,在常温下真空度抽到大约1 ×10- 2Pa 。然后用氦质谱仪进行检漏,确认整个实验系统漏率在许可的范围之内进行实验。实验的具体步骤如下:

  (1) 利用智能大气压力计记录环境温度和压力;

  (2) 对标定容器抽真空,抽好真空后,使氢气通过减压器进入标定容器,当标定容器的压力值达到规定的压力后,关闭减压器的阀门,记下此时标定容器的压力;

  (3) 使标定容器与储罐连通,开始进行吸附。连通前记下储罐的本底真空度。当储罐达到指定的压力后,关闭标定容器与储罐之间的真空阀门,记下压力值;

  (4) 测定和记录储罐夹层空间压力的变化,直至吸附平衡时间达到2h为止。取这2h达到的压力为平衡压力;

  (5) 在室温下,通过不断向储罐夹层空间通入不同压力的氢气来研究组合吸附剂的吸氢性能。重复步骤(2)、(3)和(4),即可得到室温下的吸氢等温线。

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