绝热固定床吸附过程中传质区追踪的热成像与嵌入式电阻温度计方法：突破时间与未用床长度比较

《Case Studies in Thermal Engineering》：Methods for tracking the mass transfer zone during fixed bed adsorption process

　　

本文旨在展示在绝热固定床吸附（adiabatic fixed bed adsorption）过程中如何追踪传质区（mass transfer zone, MTZ）的移动。在研究人员的测量中，水蒸气从饱和空气中被吸附到固定沸石床上。热成像相机（thermal imaging camera）和电阻温度计（resistance thermometers）被用于追踪传质区沿床层的移动。两种方法均基于吸附为放热过程这一事实。过程中产生的热量使得可以通过跟踪床层温度变化来追踪过程。根据热效应，可以计算突破点（breakthrough point）和未用床长度（unused bed length），二者均为该过程的重要参数。这些参数也可以由突破曲线（breakthrough curve）计算，后者是一种基于出口气体流量测量的方法。研究人员将热成像相机和内嵌式温度计获得的值与突破曲线得到的值进行了比较。对于温度计，突破时间的最大相对误差为2.6%；对于热成像相机，测得的最大相对误差为3.5%。对于未用床长度，两种热方法观察到的最大相对误差分别为10%和9.2%。

研究背景与问题：吸附（adsorption）是指物质结合到固体表面。其工业应用包括降低空气水分、从气体中脱除硫化氢、去除气味，以及分离气体流股组分，例如利用变压吸附（pressure-swing adsorption, PSA）分离空气。碳捕集（carbon capture）中从废气脱除CO₂日益重要；吸附脱盐（adsorption desalination）利用工业废热从海水生产饮用水，并副产冷能。常见吸附剂包括沸石、硅胶和活性炭。吸附多采用半连续操作，至少两个平行固定床柱进行吸附-脱附循环。操作者须准确知道何时切换柱，通常测量出口浓度。然而该方法将过程视为“黑箱”，无法知道任一时间吸附器剩余自由容量；只有直接测量吸附剂床中实际发生的过程才能判断。因此，研究人员旨在提出并验证两种可在任意时间追踪过程的方法，以便需要时快速调整操作参数。

研究人员开展研究与意义：研究人员搭建测量设备，先将环境空气增湿，再通过吸附从湿空气中捕集水蒸气，并监测吸附相关热过程。在绝热固定床吸附柱中，以水蒸气从饱和空气吸附到固定沸石床为对象，采用热成像相机和内嵌电阻温度计追踪传质区（mass transfer zone, MTZ）沿床层移动。两法基于吸附放热，过程产热使床温变化可追踪过程。由热效应计算突破点（breakthrough point）和未用床长度（unused bed length, H_UNB），并与基于出口气体流量测量的突破曲线（breakthrough curve）比较。结果表明热法可近似突破曲线结果：突破时间最大相对误差在内嵌温度计为2.6%，热成像相机为3.5%；未用床长度最大相对误差分别为10%和9.2%。意义在于，无法准确测出口浓度时，分析温度变化也可确定突破时间和未用床长度，并能确定给定时间吸附区位置，而仅出口浓度无法做到。

关键技术方法：研究搭建由C-102鼓风机、T-201吸收塔和T-202吸附柱组成的装置：环境空气经自来水逆流增湿后进入吸附柱。吸附剂为LTE-A沸石，近似球形，特征直径2±0.3 mm，化学式Na₁₂(Al₁₂Si₁₂O₄₈)·27H₂O；吸附柱为PMMA，高1000 mm、外径110 mm、壁厚5 mm，床高最大900 mm。床内Pt100电阻温度计间距100 mm，出口设湿度计，ALMEMO记录仪采样10 s，并用Testo 881-3热成像相机拍摄整个床层。沸石在180°C常压干燥至少24 h后装填；吸收塔通水约5 min后开鼓风机，记为t=0；控制空气体积流量与进入吸附器空气温度，出口湿度恒定且床冷却至50°C以下结束。由孔板压差和理想气体定律计算流量；由出口温湿度、Buck方程和Savitzky-Golay平滑绘制突破曲线；由床温数据获得温度-时间曲线。

结果概览与前沿类型判定：特定测量中体积流量31 m³/h，入口温度T₀=30°C，入口湿含量Y₀=22 g H₂O/kg干空气，床高H=530 mm。检验X_eq/C₀p,ads/c_p,gas，得到1.59>0.89，不满足；高温下吸附等温线不可用，不能仅由初始参数判断前沿类型。通过突破曲线和床温-时间曲线判断形成组合波前沿（Combined Wave Front, CWF）：突破曲线先缓慢上升出现“平台”，再快速升至Y/Y₀=1；床温曲线出现高温平台；出口气流仅在浓度前沿到达时升温。因此浓度前沿与温度前沿共同移动。

3.1 突破曲线评估：平滑后突破点t_b^br=720 s，平衡点4815 s。梯形法积分得t*=3257 s，t_u=717 s，由H_UNB=(1-t_u/t*)H得413 mm。误差传播显示突破时间绝对不确定度±9.4 s，相对湿度传感器不确定度对H_brUNB影响可忽略。吸附区相对总床长较长，符合CWF。

3.2 吸附剂床内嵌温度计评估：五个温度计温升近似等间隔。t_front为较初始升高5°C时间，由相邻时间差和100 mm间距得v_front平均0.756 mm/s，t_tm^b=705 s。温度平台随高度变长，表明尾部速度低于前沿。以50°C为下限，平均v_tail=0.110 mm/s，由H_tmUNB=H(1-v_tail/v_front)得453 mm。误差传播中t_b,tm绝对不确定度±4 s，H_tmUNB误差可忽略。v_front与v_tail差越小，H_UNB越短；理想情形H_UNB=0。本研究中床温升至约120°C，v_tail/v_front=0.146，CWF导致区增宽。机制为CWF到达常温颗粒，吸附放热至T_bed,max；高温容量降低，饱和后吸附由上方清洁颗粒接管；冷进气冷却颗粒使容量增加，吸附恢复但热量不足以再加热至T_bed,max，直到床冷却至进料温度。若进行到出口温度等于入口温度，床仍含X_T0^eq；若仅到突破点，未冷却段由H_UNB量化。

3.3 热成像相机图像评估：热图像显示吸附区变宽后缓慢离开柱，下部床层冷却回进料温度，向上移动冷却更慢。由热区底部和顶部直线斜率得v_front和v_tail。环境温度22°C，标尺绿色区从32°C开始。按实际H=530 mm比例计算h_tail和h_front，线性回归得v_front=0.718 mm/s，v_tail=0.107 mm/s；t_tc^b=738 s，H_tcUNB=451 mm。另一操作点流量26 m³/h，T₀=23°C，Y₀=18 g H₂O/kg干空气，突破时间显著延长t_b^br=1459 s，但H_brUNB=382 mm，提示H_UNB几乎独立于操作参数。

3.3.1 三种评估方法比较：三种方法t_b无显著差异；突破曲线可视为均值，热法接近，内嵌温度计略准确。H_UNB无标准方法，文献最常用突破曲线数值积分，故作为均值。热法估计H_UNB误差较大但最大10%。误差来源包括仪器内部误差、数值积分不准确、热成像中吸附器壁热阻时间延迟。突破曲线易评估且成熟，但无实时数据；温度计易评估，可确定不同高度v_front和v_tail并考虑非线性，但需嵌入床中；热成像无需内嵌传感器，但评估耗时。内嵌温度计适用于进料流量或浓度不恒定过程，可预测突破；热成像适合难以装温度计的现有柱，但无实时数据，主要供开发确定H_UNB。

讨论部分总结：工业设计中突破时间决定循环切换计划并防止穿透，H_UNB决定床过设计和总吸附剂存量。本文柱中H_UNB估计不确定度约9-10%，对应530 mm柱绝对床高不确定度仅约35-40 mm。商业固定床吸附器常以15-25%安全裕量设计，以适应吸附剂老化、流动分布不均和进料变化，故低于10%误差在工程容许范围。放大约束：大型工业吸附器不透明金属壁和厚重外保温阻止直接热成像；大床直径可能引起径向温度和速度不均匀，外部表面观察不能检测。热成像适合透明或中试规模非侵入诊断，内部多点电阻温度计探针是工业监测最可行直接放大方法。

研究结论翻译：在研究人员的研究中，研究人员考察了固定床吸附柱中绝热条件下水蒸气在沸石颗粒上吸附时产生的热效应。由于吸附放热，随吸附区传播，沸石床逐渐升温。沿床层形成浓度前沿和温度前沿；速度不一定相同，取决于材料性质和操作参数。采用搭建的测量设备，在吸附过程中同时多高度记录吸附剂温度随时间变化，并对运行吸附器拍摄热图像；还记录突破曲线、入口气体温度和流量。评估确认，在系统中浓度前沿和温度前沿共同传播。用三种方法确定突破时间和操作结束剩余未用床长度：积分突破曲线、内嵌温度计、一系列热图像。突破曲线方法可视为参考，因为实践中t_b和H_UNB最常这样确定。与之相比，内嵌温度计计算值相对误差最大2.6%，热成像相机图像最大3.5%；未用床长度由突破曲线确定，温度计最大相对误差10%，热成像相机9.2%。结果确认，在绝热情况下分析温度变化也可确定突破时间和未用床长度，在无法准确测出口浓度时有用；还可确定给定时间吸附区位置，仅分析出口浓度不可能。内嵌温度计优势是高精度，热成像相机优势是无需改造现有设备。