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真空条件下吸附剂吸附性能实验研究

真空条件下吸附剂吸附性能实验研究

作者：白彪坤兰州理工大学

学位级别：硕士

高真空多层绝热技术亦被称为“超级绝热”,广泛应用于液氮、液氢、液氧等低温容器及相应真空绝热管道,其真空性能的恶化是导致低温容器寿命下降的主要原因之一。因此,提高真空技术在低温容器中的应用水平,是确保低温液体以节能、经济、... 详细信息

高真空多层绝热技术亦被称为“超级绝热”,广泛应用于液氮、液氢、液氧等低温容器及相应真空绝热管道,其真空性能的恶化是导致低温容器寿命下降的主要原因之一。因此,提高真空技术在低温容器中的应用水平,是确保低温液体以节能、经济、安全可靠的方式贮存运输的重要工作之一。目前,两个方面的研究内容成为热点问题:一是低温容器真空夹层残余气体的分析研究;二是吸附剂吸附性能的研究及推广应用。通常而言,漏入低温容器真空夹层的气源是空气,其主要成分是N和O,而低温容器中的金属材料以及绝热材料在真空环境下放出的气体则主要是H(70%)。因此,研究低温真空条件下对N、O和H吸附性能优良的吸附剂显得极为重要。分子筛具有孔道结构丰富、吸附容量大、比表面积大、极性较强、易于离子交换改性等优点,使其广泛应用于物质的分离、干燥、净化和脱水。为探究低温容器夹层所用分子筛吸附剂的吸附特性,采用静态膨胀法进行实验获得了平衡压力为100Pa范围内4A、5A和13X分子筛对N、O单一组分以及空气的吸附等温线,比较了不同分子筛对气体的吸附能力差异,探究了分子筛的吸附机理。研究结果表明:液氮温度下,5A和13X分子筛在真空条件下对N及O的吸附能力强,吸附量能达到10Pa·L/g量级,4A分子筛对O的吸附量也能达到10Pa·L/g量级,然而4A分子筛在平衡压力高时吸附N能力较差,饱和吸附量仅达到300Pa·L/g左右;三种分子筛对空气的吸附能力为13X分子筛>5A分子筛>4A分子筛,且在液氮温度下,5A分子筛对空气的吸附速率高于13X分子筛。研究分子筛在低温下的真空吸附特性,有助于指导分子筛在低温容器中的应用,同时为低温分子筛的设计提供参考。分子筛属于微孔材料,吸附质气体在微孔中的吸附、扩散过程与微孔结构有关。气体吸附法广泛应用于表征多孔材料的比表面积、微孔体积及孔径分布信息。以N、CO为吸附质气体采用气体吸附法表征了4A、5A、13X分子筛的微孔结构。4A、5A、13X分子筛的BET比表面积依次是:484.4586cm/g、573.9056cm/g、673.8285cm/g。4A、5A、13X分子筛的微孔容积分别为0.1519cm/g、0.1949cm/g、0.2523cm/g。孔径分布曲线表明三种分子筛中含有丰富的微孔,吸附主要是微孔体积填充过程。钯和铂的过渡金属氧化物作为一种催化氢化反应材料,有着优良的吸氢性能。由于分子筛在77K下对H的吸附性能差,为探究低温容器夹层所用吸附剂吸附特性,采用静态膨胀法获得了吸附剂对氢气的吸附等温线,通过分析等温线,比较了不同吸附剂对氢气的吸附性能,研究了氧化铂吸附氢气的机理,并利用BET理论、t-Plot法、BJH法分析了氧化铂的孔隙结构信息。实验结果表明,PdO在较宽压力范围内吸氢性能优异,吸附量能达到1.7×10Pa·L/g左右。平衡压力大于10Pa后,PtO对氢气的吸附作用较强。平衡压力在1×10Pa×10Pa范围时,AgO吸附性能较好。低温容器常用吸氢剂PdO中按比例配置PtO、AgO形成组合吸附剂,在不整体降低吸附性能的同时,可以较大幅度减少吸附剂费用,提高经济性。PtO的总孔容积、比表面积、微孔容积、微孔比表面积均大于PdO,孔结构方面的优势使得PtO能够提供更大的吸附和反应场所。

关键词：高真空多层绝热低温容器吸附剂分子筛微孔结构氧化铂

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4A分子筛的吸附性能与孔结构研究

硅酸盐通报 2020年第10期39卷 3367-3372页

作者：白彪坤孟岳陈叔平兰州理工大学石油化工学院兰州730050

多孔材料的吸附性能与其独特、复杂的孔结构有关。为探究低温低压下4A分子筛的吸附性能,采用静态膨胀法获得了其在77K下对N2、O2、空气的吸附曲线,分析了分子筛对不同吸附质的吸附量存在差异的原因。以N2、CO2、Ar为吸附质,利用气体吸... 详细信息

多孔材料的吸附性能与其独特、复杂的孔结构有关。为探究低温低压下4A分子筛的吸附性能,采用静态膨胀法获得了其在77K下对N2、O2、空气的吸附曲线,分析了分子筛对不同吸附质的吸附量存在差异的原因。以N2、CO2、Ar为吸附质,利用气体吸附法来表征4A分子筛的微孔结构。研究结果表明:4A分子筛对O2的吸附量达到1×10^4Pa·L/g,高出N2、空气两个数量级;对于4A分子筛,273K时,CO2是气体吸附法表征其微孔结构的理想吸附质;采用D-R法计算4A分子筛的比表面积更为合理,其比表面积为533.148m^2/g;基于最大吸附量计算的4A分子筛微孔孔容与文献值较为接近;与DFT法相比,H-K法更能准确表征具有微孔的4A分子筛的孔径分布,孔径在1nm以下的孔体积比例占85.42%。

关键词：多孔材料分子筛吸附性能微孔吸附质

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吸气剂在低温容器中应用的研究进展

真空科学与技术学报 2020年第4期40卷 313-317页

作者：于洋陈叔平朱鸣黄宇巍白彪坤兰州理工大学石油化工学院兰州730050 中国特种设备检测研究院北京100029 郑州轻工业大学能源与动力工程学院郑州450001

吸气剂是维持真空的重要工具之一。本文将低温容器真空夹层内使用的吸附剂归纳为三种:第一种是化学吸附,主要特征为吸气剂与吸附质发生化学反应,常见有氧化钯、氧化铜等;第二种是物理吸附,其特点为吸气剂与吸附质(一般为气体)由范德瓦... 详细信息

吸气剂是维持真空的重要工具之一。本文将低温容器真空夹层内使用的吸附剂归纳为三种:第一种是化学吸附,主要特征为吸气剂与吸附质发生化学反应,常见有氧化钯、氧化铜等;第二种是物理吸附,其特点为吸气剂与吸附质(一般为气体)由范德瓦尔力将吸附质吸收于吸气剂微孔内,比如分子筛、活性炭等;第三种吸附既具有化学反应又包含物理吸附,常见如银分子筛何银吸气剂。本文讨论了国内外学者对不同吸气剂在低温容器中的研究成果,分析了真空夹层中产生气体的原因,探究了吸气剂的选用、吸气性能、吸附过程以及吸附机理,提出了后续研究方向主要集中在低温环境下吸气剂对低温容器全真空寿命周期内维持真空的性能。

关键词：低温容器吸气剂化学吸附物理吸附吸附机理

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真空条件下氧化铂吸氢特性与微观结构研究

低温工程 2020年第6期 26-32页

作者：陈叔平白彪坤成永军孙雯君陈联金树峰史庆智兰州理工大学石油化工学院兰州730050 兰州空间技术物理研究所兰州730000

为探究氧化铂(PtO2)作为吸附剂在低温容器夹层的吸氢特性,采用静态膨胀法获得了PtO2、PdO、Ag2O及5A分子筛对氢气的吸附等温线,通过比较4种吸附剂对氢气的吸附性能,研究了氧化铂吸附氢气的机理,提出了常用吸附剂PdO配置PtO2、Ag2O的组... 详细信息

为探究氧化铂(PtO2)作为吸附剂在低温容器夹层的吸氢特性,采用静态膨胀法获得了PtO2、PdO、Ag2O及5A分子筛对氢气的吸附等温线,通过比较4种吸附剂对氢气的吸附性能,研究了氧化铂吸附氢气的机理,提出了常用吸附剂PdO配置PtO2、Ag2O的组合吸附剂。此外,利用BET理论、t-Plot法、BJH法分析了氧化铂的孔隙结构信息,为氧化铂在低温容器中的应用提供了理论支撑。结果表明:PdO在较宽平衡压力范围内吸氢性能优异,吸附量能达到1.7×10^4 Pa·L/g;PtO2在平衡压力大于10^ Pa后对氢气的吸附作用较强;Ag2O在平衡压力低于3×10^-1Pa时吸氢量大于PtO2,在2×10^-2Pa左右时吸附性能甚至与PdO相当。低温容器常用吸附剂PdO中按比例配置PtO2、Ag2O形成组合吸附剂,在不整体降低吸附性能的同时,可以较大幅度减少吸附剂费用,提高经济性。PtO2的总孔容积、比表面积、微孔容积、微孔比表面积均大于PdO,孔结构方面的优势使得PtO2能够提供更大的吸附和反应场所。

关键词：低温容器吸附剂吸附等温线孔隙结构

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低温容器夹层真空度对内罐压升率的影响研究

低温与超导 2020年第3期48卷 51-58页

作者：付启亮陈叔平金树峰李文奇白彪坤赵高逸孟岳杨雯朱鸣兰州理工大学石油化工学院兰州730050 中国特种设备检测研究院北京100029

针对低温容器夹层真空失效工况,建立了低温容器夹层真空度与通过内罐壁面热流密度的理论模型,结合ANSYS-FLUENT软件对某立式低温容器内的液氮蒸发过程进行了仿真模拟,研究了初始充满率为50%时,低温容器内罐空间温度及压力随夹层真空度... 详细信息

针对低温容器夹层真空失效工况,建立了低温容器夹层真空度与通过内罐壁面热流密度的理论模型,结合ANSYS-FLUENT软件对某立式低温容器内的液氮蒸发过程进行了仿真模拟,研究了初始充满率为50%时,低温容器内罐空间温度及压力随夹层真空度变化的规律。结果表明,随着夹层真空度降低,通过低温容器内罐壁面的平均热流密度增大,内罐中液体温度升高速率增大;当夹层真空完全失效时,内罐压升率分别是夹层真空度为10-3 Pa、1 Pa和10 Pa时的10.4倍、5倍和1.2倍。

关键词：真空失效压升率仿真模拟低温容器潜水器

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液氮温度下分子筛的真空吸附特性试验研究

真空 2021年第1期58卷 45-50页

作者：白彪坤陈叔平陈联金树峰史庆智孟岳兰州理工大学石油化工学院甘肃兰州730050 兰州空间技术物理研究所甘肃兰州730000

为探究低温容器夹层所用分子筛吸附剂的吸附特性,采用静态膨胀法进行试验,获得了平衡压力为10-3Pa~103Pa范围内4A、5A和13X分子筛对N2、O2单一组分以及空气的吸附等温线,比较了不同分子筛对气体的吸附能力差异,探究了分子筛的吸附机理... 详细信息

为探究低温容器夹层所用分子筛吸附剂的吸附特性,采用静态膨胀法进行试验,获得了平衡压力为10-3Pa~103Pa范围内4A、5A和13X分子筛对N2、O2单一组分以及空气的吸附等温线,比较了不同分子筛对气体的吸附能力差异,探究了分子筛的吸附机理。研究结果表明:液氮温度下,5A和13X分子筛在真空条件下对N2及O2的吸附性能强,吸附量能达到104Pa·L/g量级,4A分子筛对O2的吸附量也能达到104Pa·L/g量级,然而4A分子筛在平衡压力高时吸附N2能力较差,饱和吸附量仅达到300Pa·L/g左右;三种分子筛对空气的吸附能力为13X分子筛>5A分子筛>4A分子筛,且在液氮温度下,5A分子筛对空气的吸附速率高于13X分子筛。研究分子筛在低温下的真空吸附特性,有助于指导分子筛在低温容器中的应用,同时为低温分子筛的设计提供参考。

关键词：分子筛低温容器静态膨胀法吸附等温线吸附能力

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加速器超导磁体失超泄放安全问题的研究

低温与超导 2023年第12期51卷 28-38,95页

作者：王力实倪东升白彪坤朱新龙朱丽王旭东程月秦祥琦乔威宇王国庆王祖军姚庆高中国科学院近代物理研究所兰州730000 中国科学院大学北京100049 兰州科近泰基新技术责任有限公司兰州730000 兰州理工大学兰州730050 兰州大学兰州730000

加速器超导磁体失超会导致恒温器中液氦蒸发并泄放到隧道内,引发ODH(Oxygen Deficiency Hazard)风险。有效地利用数值模拟和风洞实验可以对泄放过程进行研究,并且给出安全泄放流态的判据。本文对国内外超导加速器安全泄放案例进行分析,... 详细信息

加速器超导磁体失超会导致恒温器中液氦蒸发并泄放到隧道内,引发ODH(Oxygen Deficiency Hazard)风险。有效地利用数值模拟和风洞实验可以对泄放过程进行研究,并且给出安全泄放流态的判据。本文对国内外超导加速器安全泄放案例进行分析,总结出影响安全泄放的主要因素,为国内大型超导加速器安全泄放设计提供参考。

关键词：低温系统安全泄放超导磁体失超

预加张力对电容薄膜真空计感压膜片变形的影响

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真空与低温 2020年第1期26卷 31-36页

作者：孟岳陈叔平成永军孙雯君裴晓强贾春旺白彪坤金树峰兰州理工大学石油化工学院兰州730050 兰州空间技术物理研究所兰州730000

针对电容薄膜真空计感压膜片在预加张力情况下的均布载荷-挠度特性,选择冯·卡门方程和Beams方程作为感压膜片理论模型,并结合ANSYS Workbench软件中的静力学模块进行非线性有限元仿真分析。结果表明:预加张力对感压膜片挠度的影响十分... 详细信息

针对电容薄膜真空计感压膜片在预加张力情况下的均布载荷-挠度特性,选择冯·卡门方程和Beams方程作为感压膜片理论模型,并结合ANSYS Workbench软件中的静力学模块进行非线性有限元仿真分析。结果表明:预加张力对感压膜片挠度的影响十分明显,膜片挠度随着预加张力的增加而下降;随着均布载荷和预加张力的增大,感压膜片挠度下降幅度减弱。同一均布载荷下,预加张力越大,其影响比例越大。当均布载荷不断增加、感压膜片挠度增大,预加张力引起的挠度变化在不断减弱,影响比例逐渐下降;感压膜片受1 Pa均布载荷发生初始变形时,13 MPa的预加张力对膜片挠度影响为93%;当均布载荷超过800 Pa时,预加张力所带来的挠度影响不到整个感压膜片挠度变化的35%;均布载荷为1000 Pa、预加张力为7 MPa时,其影响比例为17.9%。利用实际电容薄膜真空计产品对仿真结果进行了初步验证。

关键词：电容薄膜真空计感压膜片预加张力挠度特性

空温式翅片管气化器冷热流体传热特性仿真研究

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化工机械 2020年第4期47卷 467-472页

作者：李文奇陈叔平金树峰付启亮白彪坤孟岳兰州理工大学石油化工学院

空温式翅片管气化器通过吸收周围环境的热量使管内低温液体气化,其壁面温度低于附近湿空气冰点时会引起翅片表面结霜问题,严重影响低温系统正常工作。为探究翅片管内、外冷热流体对表面结霜影响的基础科学问题,采用Fluent软件对空温式... 详细信息

空温式翅片管气化器通过吸收周围环境的热量使管内低温液体气化,其壁面温度低于附近湿空气冰点时会引起翅片表面结霜问题,严重影响低温系统正常工作。为探究翅片管内、外冷热流体对表面结霜影响的基础科学问题,采用Fluent软件对空温式翅片管气化器冷热流体的传热特性进行数值模拟,获得了翅片管内、外冷热流体与翅片壁面温度分布关系,研究了翅片管内低温液体入口流量和管外吹风速度对其传热特性的影响。结果表明:在管外自然对流条件下,翅片壁面温度沿管内低温液体流动方向(由下往上)逐渐升高,随翅片管内低温液体入口流量的降低而升高;管外向下进口风速为2.0m/s时,与自然对流条件相比,翅片壁面平均温度升高了约17K。

关键词：空温式翅片管气化器结霜冷热流体入口流量进口风速