吸附剂精密测试仪和方法

专利名称：吸附剂精密测试仪和方法
技术领域：
本发明属于测定单组分气体静态吸附等温线、等压线和吸附特性的测试仪 和方法。
背景技术：
吸附剂在化工及其相关领域应用很广泛，吸附剂种类繁多，其吸附能力、 技术性能可以通过测试吸附量、等温线、等压线等特性参数来体现。
现有测试仪器多是基于体积法测试原理，仪器中取得数据的主要部件是高 精度、高气密性的体积调节器。由于加工制造难度大，成本昂贵，维修困难， 不利于广泛推广。
专利号为98241351. 3的中国专利"多孔物质比表面及孔分布测定仪"公开 了一种吸附剂测定仪，它是利用液氮杜瓦瓶，在液氮温度下测试氮吸附等温线， 从而计算孔结构有关数据的测定仪。
当前，在化工气体分离领域，技术进步较快，出现了许多纳米级新型吸附 剂，包括大于氮分子孔径的分子筛，在常温下它们能对特定气体实现分离，广 泛地应用在变压或变温吸附工程中，因而需要有一种能在常温附近操作，使用 简便的吸附剂精密测试仪。

发明内容
本发明的目的是解决现有技术存在的成本高或应用有限的问题，提供一种 在常温附近条件下操作，吸附量是通过压力补偿法得到，即可以采用"分子示 踪法"进行测定的仪器，其测试条件要求低，结构操作简单，应用更广泛。
本发明的另一个目的是提供一种压力补偿的吸附剂测试方法。
本发明的目的分别通过下述技术方案来实现
吸附剂精密测试仪，包括吸附罐、能够与吸附罐相通的接测试气体的进气 调节阀，还包括与进气调节阀相通的系统压力传感器、补偿调节阀、真空调节阀，与补偿调节阀相通的补偿压力传感器、定体积的补偿罐，以及与系统压力 传感器、补偿压力传感器电连接的单片机。
所述进气调节阀与吸附罐之间设置有吸附截止阀。
所述吸附罐设置于电加热炉内，电加热炉与温度控制器电连接，吸附罐上 设置有与温度控制器电连接的热传感器。
所述补偿罐上设置有与单片机电连接的温度传感器。
所述吸附截止阀、进气调节阀、补偿调节阀、真空调节阀、补偿罐、补偿
压力传感器、系统压力传感器通过双室气体分配器实现各自的连接；各控制阀 的控制端与单片机电连接。
吸附剂测试方法包括如下步骤
a. 将吸附剂装入吸附罐，密闭吸附罐；
b. 将吸附罐和与之相通的定体积补偿罐抽真空后，关闭两者之间两个 控制阀中吸附罐侧的控制阀；
c. 开启接于上述两个控制阀之间的进气阀门，向定体积的补偿罐通入 测试气体，并使压力大于设定的测试压力，关闭进气阀门和补偿罐侧 的控制阀；
d. 调节上述两个控制阀之间的压力达到设定的测试压力；
e. 开启吸附罐侧的控制阀，吸附罐内的吸附剂开始吸附，吸附达到平 衡压力时，吸附完成，此时开启补偿罐的出口控制阀，使两个控制阀 之间的压力等于上述设定的测试压力，然后关闭补偿罐的出口控制 阀；
f. 测定补偿罐在吸附前后的压力变化差值，根据压力与体积的关系式 及压力体积系数K值，计算出测试气体被吸附量；其中对于每种测试 气体，K值为补偿罐压力下降l单位时，所放出的气体量。
所述步骤f之后还有步骤g,即设定不同的测试压力，重复步骤b f,得 到吸附剂在不同压力下的被吸附量。所述步骤a之前，用精密体积调节器和氦气，对定体积补偿罐、吸附系统、 吸附罐的空间进行标定；所述步骤a中，调节吸附罐的温度，保持吸附罐的恒 温控制。
所述步骤e中，测定补偿罐的温度，步骤f中按理想气体修正温度带来的 误差。 '
所述的各压力、各温度值通过传感器输入单片机或计算机进行处理；各阀 门的控制由单片机或计算才M艮据上述传感器的反馈信号自动控制。
本发明的测定仪采用上述结构，以压力补偿法测试吸附量，在设定的吸附 压力(如Pl)下，将待测气体送入吸附罐后，气体被吸附剂吸附，待吸附平衡 时，系统压力下降至Pl'(即P1〉P1')，此时将事先充入补偿罐的相同气体压 力为P2(P2〉P1),通过4青密调节阀緩慢通入吸附系统中，吸附系统压力P1'会回 升，待P1'-P1时，停止补偿，补偿罐内压力则由P2下降为P2',则才艮据补偿 罐内压力差(AP= P2-P2')与吸附剂的吸附量之间的关系式，根据压力与体积 的关系式及压力体积系数K值，计算出测试气体被吸附量。且整个测试数据可通 过各传感器传到PC单片机或计算机来记录和处理，并能打出测试结果和图表。
采用上述结构的测试仪，具有如下优点
1、 可在常温下提供氮吸附等温线，可提供孔结构的有关信息；
2、 采用压力补偿法，用定体积管输出补偿气体，定压补偿，便于实现自动
化；
3、 只用体积调节器校验仪器，仪器不含精确级别高的体积调节器，仪器操 作流程简化，气密性容易保证，操作方便；
4、 仪器可通过配置的PC单片机或计算机，对测试数据实现自动记录和处 理，画出等温曲线图表，并将测试结果保存和打印。
本发明采用上述步骤的方法，通过测定吸附剂吸附前后的压力，并以补偿 罐比设定测试压力更高的气体补偿入吸附罐，使其压力恢复到吸附前的压力， 由于补偿罐的体积是经过检验的标定体积，则可根据压力与体积的关系，及压力体积系数K值，计算得到吸附量；另外，可通过不同的设定测试压力、不同的 吸附剂所处温度，测试出各种性能参数或曲线。
可见，采用本发明的测试仪和/或方法，具有成本更低、测试条件要求低而 应用环境更广、可在常温附近测试，安全性更高，仪器结构更简单而操作更简 化的优点，本仪器和方法特别适用于吸附分离、净化和4渚存气体工程及新吸附 剂制造、研制、检测之用。


图l是本发明中测试仪的结构示意图2是本发明实施例1中采用体积调节器和氦气校核死空间的数据表； 图3是本发明实施例1中采用体积调节器和氦气校核补偿罐体积的数据表； 图4是本发明实施例1中采用测定仪、压力补偿法和氦气校核死空间的数 据表；
图5是本发明实施例2中，吸附罐升温后，环境温度影响补偿罐温度与其内 部压力变化的数据表；
图6是本发明实施例2中，吸附罐升温后补偿罐温度与其内部压力变化的 曲线图7是本发明实施例3中吸附等温线的数据表； 图8是本发明实施例3中吸附等温线的曲线图； 图9是本发明实施例4中吸附等温线的数据表； 图IO是本发明实施例4中吸附等温线的曲线图； 图11是本发明实施例5中吸附等温线的数据表； 图12是本发明实施例5中吸附等温线的曲线图中标号l是电加热炉，2是吸附罐，3是热电阻，4是吸附截止阀，5是 进气调节阀，6是补偿调节阀，7是真空调节阀，8是真空、放空三通阀，9是 定体积的补偿罐，IO是补偿压力传感器，ll是系统压力传感器，12是双室气体 分配器，13是温度控制器，14是单片机。
具体实施例方式
下面结合具体实施例和附图对本发明作进一步的说明。
吸附剂精密测试仪的结构如图1所示，包括设置在电加热炉1里的吸附罐2、 具有八个端口的双室气体分配器12、定体积的补偿罐9、系统压力传感器11、 补偿压力传感器10和单片机14。
吸附罐2的外壁设置有热电阻3，与热电阻3电连4妻的温度控制器13带有 PID，温度控制器13的输出端与电加热炉1电连接，可以根据热电阻反馈的热 量或温度信号控制电加热炉的输出功率，以控制吸附罐2的温度，即控制吸附 温度，使吸附在常温附近的恒温控制下进行。
双室气体分配器12八个端口中分为两组，其中一组有五个端口彼此相通， 另一组三个端口4皮jt匕相通，分别简称为五通端'口、三通端口。
吸附罐2通过吸附截止阀4接入双室气体分配器的五通端口中的一个端口 ， 该组端口中的其它四个端口分别通过进气调节阀5连通以可接入测试气体、与 系统压力传感器ll连通、与补偿调节阀6连通、与真空调节阀7连通；双室气 体分配器12的另一组三通端口中， 一个端口与补偿调节阀6的另一端连通，第 二个端口与补偿罐9连通，第三个端口与补偿压力传感器10连通。
真空调节阀7通过真空、放空三通阀8接真空泵(图1中未示出)，以及可 以将系统中的真空放空。
系统压力传感器ll、补偿压力传感器10分别与单片机14有电连接，可以 将各自检测的压力信号转化成电信号传递给单片机14，形成双压力信号的检测 结构。
补偿罐9上还可以设置与单片机14电连接的温度传感器，以检测补偿罐的 溫度并传递给单片机进行处理，从而在温度变化时对补偿罐进行温度补偿修正。
利用上述吸附剂精密测试仪以压力补偿法进行吸附剂测试的方法包括如下 步骤
a.将吸附剂装入吸附罐，密闭吸附罐；b. 将吸附罐和与之相通的定体积补偿罐抽真空后，关闭两者之间两个控制阀 中吸附罐侧的控制阀；
c. 开启接于上述两个控制阀之间的进气阀门，向定体积的补偿罐通入测试气 体，并使压力大于设定的测试压力，关闭进气阀门和补偿罐侧的控制阀；
d. 调节上述两个控制阀之间的压力达到i殳定的测试压力；
e. 开启吸附罐侧的控制阀，吸附罐内的吸附剂开始吸附，吸附达到平衡压力 时，吸附完成，开启补偿罐的出口控制阀，使两个控制阀之间的压力等于 上述设定的测试压力，然后关闭补偿罐的出口控制阀；
f. 测定补偿罐在吸附前后的压力变化差值，才艮据压力与体积的关系式，及压 力体积系数K值，计算出测试气体被吸附量；
g. 设定不同的测试压力，重复步骤b~f，得到吸附剂在不同压力下的被吸 附量。
在步骤a之前，可以采用精密体积调节器和氦气，对定体积补偿罐、吸附系 统、吸附罐的空间进行标定。
结合附图和具体实例说明上述方法。 实施例1:
利用如图1所示的吸附剂精密测试仪，测试吸附剂AL-GX-09。
为便于比较，先用常规的体积调节器以体积法和氦气校核定体积补偿罐、吸 附系统、吸附罐的死空间，分别测试三次，得到如图2数据表所示，可以看出， 体积调节法测得的死空间为3. 727ml,其误差为< ± 0. 7%。
后用压力补偿法和上述吸附剂精密测试仪测得数据的如图3数据表所示，在 这里引入校正压力体积系数K (不同气体的K值分别校正)，其定义为补偿罐 压力下降l单位时，所放出的气体量。该压力体积系数K值与气体种类、吸附 系统体积、补偿罐体积、温度及材料表面吸附相关。如本实施例中，氦气的 KHe=AV/AP,并经过四次测量，取其平均值。
用压力补偿法计算得出的氦气校核死空间，分别测试三次，得到如图4数据
9表所示(图4中，V死-厶P"He)，可以看出，压力补偿法测得的死空间平均值
为3. 689ml，其误差为< ± 0. 7%。
上述利用吸附剂精密测试仪进行补偿罐的校核和死空间校核各自分别按如 下步骤进行
a. 将吸附剂精密测试仪上的吸附罐拆下，装入吸附剂AL-GX-09,然后上紧密 闭，使之不漏气；
b. 关闭测试仪上包括截止阀和调节阀在内的所有控制阀，然后打开吸附截止 阀4、补偿调节阀6、真空调节阀7、真空和放空三通阀8的接真空泵端， 对吸附罐2、补偿罐9及各自连通的管路抽真空，待真空度〈5Kpa(系统 压力传感器和/或补偿压力传感器将压力信号传递给单片机)时，关闭吸 附截止阀4、真空调节阀7、真空和放空三通阀8，停止抽真空，并使吸附 罐2和补偿罐9之间通路关闭；
c. 开启进气调节阀5，通入测试气体，由于吸附截止阀4关闭，则测试气体 进入到补偿罐9及与之相通的管路中，包括补偿调节阀6与真空调节阀7 之间的管路、补偿调节阀6与吸附截止阀4之间的管路，并且使上述的压 力大于设定的测试压力即可，关闭进气调节阀5、补偿调节阀6;
d. 开启真空和放空三通阀8的真空泵放空端，緩慢调节真空调节阀7，使上 述密闭在双室气体分配器12的五通端口之间的系统压力调整到设定的测 试压力，然后关闭真空调节阀7;
e. 开启吸附截止阀4，将测试气体通入吸附罐2内进行吸附，待吸附完成或 停止时，再緩慢调节补偿调节阀6，用定体积的补偿罐9内的气体补偿吸 附罐2及与之相通的各管路中，待与之相通的系统压力传感器测出其压力 等于吸附前压力时，关闭补偿调节阀6以停止补偿；
f. 定体积的补偿罐9内气体补偿后其压力变化值通过补偿压力传感器10送 入单片机14,基于气体的PVT关系式和相应气体的K值，则可由单片机自 动处理得到上述测试结果。
10在测试仪采用高精密微量调节阀、高精度压力传感器、略高于室温能起控的
温度控制器，校验标定采用精度为0. Olml的体积调节器，保证了测试仪的精度， 如上述结果显示误差小于± 0. 7%。 实施例2:
为了避免在测试不同温度吸附剂性能时，补偿罐温度所带来的压力变化引 起的误差，在补偿罐外壁上设置温度传感器，并将信号传送给单片机。
经过测试得到补偿罐外壁温度与其内部压力的数据如图5所示，与理想气 体的数据曲线比较如图6所示，单片机内设置有按图6曲线以理想气体进行温 度修正的处理程序。
本实施例中，在实施例1的基础上，还可以通过温度控制器调节电加热炉 的输出功率，加热吸附罐，使吸附罐保持在常温附近的恒温控制，并将吸附罐 的温度通过传感器传送到单片机进行温度修正，使结果符合精确度要求。
实施例3:
本实施例测试吸附剂YS分别对氮气、二氧化碳的吸附性能。
按实施例1的方法，分别用氮气、二氧化碳标定测试仪，以及测定各自的 KN2、 Kc。2，釆用上述吸附剂精密测试仪在实施例1的步骤基础上，再加上步骤g， 即设定不同的测试压力，重复步骤b-f，可以得到同一测试温度下的等温线。
测试的数据如图7所示，测试数据绘制的曲线如图8所示。
实施例4:
本实施例中，吸附剂为德国氢型分子筛，通过利用上述测试仪测试其二氧 化碳吸附等溫线，并与文献值相比较，以验证本发明的测试仪和方法。
按实施例3的方法，测得德国氢型分子筛的二氧化碳吸附数据如图9所示， 并将相应的文献值列入其中。
根据图9的数据绘制的吸附等温线曲线如图10所示，可见，两者基本吻合，
表明本发明的测试仪和方法满足工程实际的需要。 实施例5:
ii本实施例测试新型FY吸附剂的氮气、二氧化碳、曱烷吸附等温线，以-睑证
本发明的测试仪和方法对新型吸附剂的适用性。
按实施例3的方法，测得上述吸附剂针对上述各种气体的吸附数据如图11 所示。
根据图11绘制的吸附等温线曲线如图12所示。
上述各实施例中，都可由单片机自动记录测试数据并处理，根据测试数据 画出等温曲线图表并保存，配备有打印机时，可将结果输出打印。 上述单片机的功能也可以由计算机或其它中央处理单元执行。
1权利要求
1、吸附剂精密测试仪，包括吸附罐、能够与吸附罐相通的接测试气体的进气调节阀，其特征在于，还包括与进气调节阀相通的系统压力传感器、补偿调节阀、真空调节阀，与补偿调节阀相通的补偿压力传感器、定体积的补偿罐，以及与系统压力传感器、补偿压力传感器电连接的单片机。
2、 如权利要求1所述吸附剂精密测试仪，其特征在于，所述进气调节阀与 吸附罐之间设置有吸附截止阀。
3、 如权利要求1或2所述吸附剂精密测试仪，其特征在于，所述吸附罐设 置于电加热炉内，电加热炉与温度控制器电连接，吸附罐上设置有与温度控制 器电连接的热传感器。
4、 如权利要求3所述吸附剂精密测试仪，其特征在于，所述补偿罐上设置 有与单片机电连接的温度传感器。
5、 如权利要求4所述吸附剂精密测试仪，其特征在于，所述吸附截止阀、 进气调节阀、补偿调节阀、真空调节阀、补偿罐、补偿压力传感器、系统压力 传感器通过双室气体分配器实现各自的连接；各控制阀的控制端与单片机电连 接。
6、 吸附剂测试方法，其特征在于，包括如下步骤a. 将吸附剂装入吸附罐，密闭吸附罐；b. 将吸附罐和与之相通的定体积补偿罐抽真空后，关闭两者之间两个控 制阀中吸附罐侧的控制阀；c. 开启接于上述两个控制阀之间的进气阀门，向定体积的补偿罐通入测 试气体，并^吏压力大于设定的测试压力，关闭进气阀门和补偿罐侧的 控制阀；d. 调节上述两个控制阀之间的压力达到设定的测试压力；e. 开启吸附罐侧的控制阀，吸附罐内的吸附剂开始吸附，吸附达到平衡 压力时，吸附完成，此时开启补偿罐的出口控制阀，使两个控制阀之 间的压力等于上述设定的测试压力，然后关闭补偿罐的出口控制岡；f.测定补偿罐在吸附前后的压力变化差值，根据压力与体积的关系式及压力体积系数K值，计算出测试气体被吸附量；其中对于每种测试气 体，K值为补偿罐压力下降l单位时，所力文出的气体量。
7、 如权利要求6所述吸附剂测试方法，其特征在于，所述步骤f之后还有 步骤g,即设定不同的测试压力，重复步骤b-f,得到吸附剂在不同压力下的 被吸附量。
8、 如权利要求6所述吸附剂测试方法，其特征在于，所述步骤a之前，用 精密体积调节器和氦气，对定体积补偿罐、吸附系统、吸附罐的空间进行标定； 所述步骤a中，调节吸附罐的温度，保持吸附罐的恒温控制。
9、 如权利要求7或8所述吸附剂测试方法，其特征在于，所述步骤e中， 测定补偿罐的温度，步骤f中按理想气体修正温度带来的误差。
10、 如权利要求9所述吸附剂测试方法，其特征在于，所述的各压力、各 温度值，通过传感器输入单片机或计算机进行处理；各阀门的控制由单片机或计 算机根据上述传感器的反馈信号自动控制。
全文摘要
吸附剂精密测试仪和方法，属于测定单组分气体静态吸附等温线、等压线等吸附剂特性的测试仪和方法，目的是解决现有技术存在的成本高或应用有限的问题，测试仪包括吸附罐、能够与吸附罐相通的接测试气体的进气调节阀，还包括与进气调节阀相通的系统压力传感器、补偿调节阀、真空调节阀，与补偿调节阀相通的补偿压力传感器、定体积的补偿罐，以及与系统压力传感器、补偿压力传感器电连接的单片机；方法为利用上述测试仪的压力补偿法。本发明可广泛适用于测试各类工业吸附剂或新型吸附剂的性能，如硅胶、活性炭分子筛等。
文档编号G01N7/00GK101498642SQ20091005858
公开日2009年8月5日 申请日期2009年3月12日 优先权日2009年3月12日
发明者朱爱民, 迪 王, 王业勤, 颜慎德 申请人:四川亚联高科技股份有限公司