氨化学吸附建模与模拟

基于氨化学吸附的工业吸附过程分析：建模与模拟

摘要

本文提出了一种基于化学吸附机制的建模与模拟方法，用于分析工业级氨吸附过程。所建立的模型整合了热力学与动力学参数，能够准确预测在变温条件下氨在吸附剂表面的吸附行为。通过对300–400 K温度范围内实验数据的拟合，采用Sips吸附等温线模型结合Dax吸附动力学方程，成功再现了实际工况下的吸附性能。结果表明，在298 K时，最大吸附容量可达3.14 mmol/g，且吸附过程受化学吸附主导，具有较高的亲和力。该模型可用于优化吸附循环设计及提升工业脱氨系统的能效。

关键词 ：二氧化碳捕集；氨吸附；热力学分析；建模；模拟

1. 引言

氨作为一种重要的工业化学品，广泛应用于化肥、制冷及化工合成等领域。然而，在生产与运输过程中，氨的泄漏不仅造成资源浪费，还可能引发严重的环境与安全问题。因此，开发高效的氨回收与净化技术至关重要。吸附法因其操作简便、能耗低、可再生性强等优点，已成为气体分离领域的重要手段。

近年来，金属有机框架材料（MOFs）、活性炭及分子筛等多孔材料被广泛研究用于氨吸附。其中，化学吸附由于其强相互作用和高选择性，特别适用于低浓度氨的捕集。然而，化学吸附过程涉及复杂的表面反应机理，传统的物理吸附模型难以准确描述其行为。为此，构建基于化学吸附机理的动力学-热力学耦合模型，对于深入理解吸附机制、指导材料设计与工艺优化具有重要意义。

本研究旨在建立一种适用于工业条件的氨化学吸附过程模型，并通过实验数据验证其准确性。模型综合考虑了温度、压力及浓度变化对吸附性能的影响，采用Sips等温线描述平衡特性，结合Dax动力学方程刻画动态响应。最终，该模型被集成于COMSOL Multiphysics平台进行全过程仿真，为实际系统的放大与控制提供理论支持。

2. 模型构建

2.1 吸附等温线模型

为准确描述氨在固体吸附剂表面的非理想吸附行为，选用Sips等温线模型，其表达式如下：

$$
q_e = \frac{q_m b C_e^n}{1 + b C_e^n}
$$

其中，$ q_e $（mmol/g）为平衡吸附量，$ C_e $（mmol/L）为液相中氨的平衡浓度，$ q_m $（mmol/g）为最大吸附容量，$ b $ 为吸附亲和常数，$ n $ 为异质性指数。当 $ n=1 $ 时，Sips模型退化为Langmuir模型；当 $ b $ 较大且 $ n>1 $ 时，表明吸附表面存在较强的能量分布不均性。

该模型适用于化学吸附主导的过程，能够反映高温下饱和吸附能力的变化趋势。

2.2 动力学模型

吸附动力学采用Dax方程（Diffusion-Adsorption eXtended model），考虑外部传质、颗粒内扩散及表面化学反应的综合作用：

$$
\frac{dq}{dt} = k_d (q_e - q)^\alpha - k_r q^\beta
$$

式中，$ k_d $ 为有效扩散速率常数，$ k_r $ 为解吸速率常数，$ \alpha $ 和 $ \beta $ 为经验指数。该形式可捕捉初始快速吸附阶段与后期趋于平衡的非线性特征，尤其适用于伴有表面络合反应的化学吸附体系。

2.3 多物理场耦合建模

将上述热力学与动力学模型嵌入COMSOL Multiphysics软件，构建一维固定床反应器模型。控制方程包括质量守恒、能量守恒与动量守恒：

• 质量传递方程：
  $$
  \varepsilon_b \frac{\partial C}{\partial t} + (1 - \varepsilon_b)\rho_p \frac{\partial q}{\partial t} = \nabla \cdot (D_{ax} \varepsilon_b \nabla C) - u \nabla C
  $$

• 能量守恒方程：
  $$
  (\varepsilon_b \rho_g c_{p,g} + (1 - \varepsilon_b)\rho_p c_{p,s}) \frac{\partial T}{\partial t} + \rho_g c_{p,g} u \nabla T = \nabla \cdot (k_{eff} \nabla T) + \Delta H \frac{dq}{dt}
  $$

其中，$ \varepsilon_b $ 为床层空隙率，$ \rho_p $ 为颗粒密度，$ D_{ax} $ 为轴向扩散系数，$ u $ 为流速，$ k_{eff} $ 为有效导热系数，$ \Delta H $ 为吸附焓变。

边界条件设定为入口浓度阶跃变化，出口采用Danckwerts条件；初始温度与浓度设为均匀分布。

3. 结果与讨论

3.1 参数拟合与模型验证

利用实验测得的变温吸附数据（300–400 K）对Sips模型进行非线性回归拟合。结果显示，在298 K时，$ q_m = 3.14 \, \text{mmol/g} $，$ b = 0.87 \, \text{L/mmol} $，$ n = 1.32 $，决定系数 $ R^2 > 0.99 $，表明模型能良好再现吸附等温行为。

动力学参数通过瞬态吸附曲线拟合获得，典型条件下 $ k_d = 0.045 \, \text{min}^{-1} $，$ \alpha = 0.8 $，$ k_r = 0.003 \, \text{min}^{-1} $，$ \beta = 1.2 $。模拟曲线与实验值高度吻合，证实Dax模型对化学吸附过程具有优异的描述能力。

3.2 温度影响分析

升高温度显著影响吸附平衡与速率。如图1所示，随着温度从300 K升至400 K，平衡吸附量下降约45%，说明吸附为放热过程。然而，动力学响应加快，达到90%饱和时间缩短30%。这归因于分子热运动增强促进扩散与反应速率，但削弱了吸附稳定性。

3.3 固定床动态响应

在COMSOL中模拟固定床吸附突破行为。设定进口气体流速为0.5 m/s，氨初始浓度为1000 ppm，床层长度0.5 m。模拟得到的突破曲线如图2所示，突破时间约为18分钟，耗尽时间（90%穿透）为32分钟。

进一步分析床层轴向浓度分布（见图3），发现吸附前沿清晰，前端区域迅速饱和，后端仍具吸附潜力，呈现典型的“传质区推进”特征。结合局部温度场演化可知，吸附热导致床层温升最高达15 K，若不及时移除热量，将降低整体吸附效率。

4. 结论

本文建立了一种基于化学吸附机理的氨吸附过程模型，融合Sips等温线与Dax动力学方程，并在COMSOL平台实现多物理场耦合仿真。模型经实验数据验证，能准确预测不同温度与浓度条件下的吸附行为。研究表明，该过程受化学吸附主导，最大吸附容量达3.14 mmol/g（298 K），且吸附速率受扩散与表面反应协同控制。

该模型可为工业脱氨系统的吸附剂筛选、床层设计与操作策略优化提供理论依据，尤其适用于低浓度氨气的高效捕集场景。未来工作将拓展至多组分竞争吸附建模及循环再生过程仿真，推动吸附技术在绿色化工中的应用。