Автореферат (1025730), страница 2

Просмтор этого файла доступен только зарегистрированным пользователям. Но у нас супер быстрая регистрация: достаточно только электронной почты!

Текст из файла (страница 2)

Работа изложена на 224 страницах текста,содержит 66 рисунков, 14 таблиц и список литературы из 202 наименований.СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫВо введении приведен краткий обзор систем хранения природного газа(метана), приведены основные достоинства и недостатки. Показанаактуальность исследования адсорбционных систем. Намечены цель и задачиисследования, перечислены основные результаты работы, дана оценка ихнаучной новизны и практической значимости.В первой главе рассмотрены основные соотношения для определенияадсорбции, а также термодинамических свойств адсорбционных систем.Выполнен краткий обзор экологических и экономических преимуществприменения природного газа (метана) в качестве транспортного топлива.Выполнен обзор экспериментальных и теоретических исследованийадсорбции природного газа (метана) на адсорбентах различногопроисхождения: на активных углях, углеродном волокне, углеродныхнанотрубках, силикагелях, цеолитах, металлорганических адсорбентах и др.Преимущественными являются активные угли, дешевые и емкие по метану.С 2000-ого года активизировались работы по синтезу новых адсорбентовдля аккумулирования метана.

Этому процессу поспособствовали результатыработы, выполненной по заказу Министерства энергетики США (Department ofenergy – DOE), в которой были синтезированы адсорбционные блоки сзаданной эффективностью – количеством газа 150 м3(нтд)/м3 при 3,5 МПа и25 °С. Эта работа стала ориентиром для последующих работ, причем уровеньэффективности постепенно увеличивался – со 180 до 263 м3(нтд)/м3.

Последняявеличина на сегодняшний день недостижима. Существующие промышленныеадсорбенты обеспечивают около 100 м3 (нтд)/м3 при 3,5 МПа и 25 °С.Проведенный обзор работ показал, что к настоящему времени накоплензначительный экспериментальный материал по адсорбции метана на различныхадсорбентах. Однако большинство исследований адсорбции проводились прикомнатной температуре и низких давлениях до 3,5 МПа. Практические задачи иоптимизация режимов требует данных по адсорбции в широких интервалахтемператур и более высоких давлениях. Вопросы заправки и десорбции,выделения и поглощения теплоты адсорбции, кинетики адсорбции, наличияпримесей в природном газе, цикличности заправки и т.п. рассмотрены в редких4работах и остаются малоизученными.

При этом в литературе недостаточносведений по энергоэффективности адсорбционных систем аккумулирования.На основании проведенного анализа была поставлена цель работы,сформулированы задачи исследования, выбраны и обоснованы методы решенияпоставленных задач.Во второй главе представлены объекты исследования (метан иадсорбенты), а также приведена методика определения адсорбции природногогаза (метана) в различных диапазонах давлений и температур.Структурно-энергетическиехарактеристикивыбранныхшестиадсорбентов определены по изотерме адсорбции стандартного пара бензола при298 К при помощи Теории объемного заполнения микропор М.М.

Дубинина.Все применяемые активные угли – промышленные (АУ-4 ,АУ-5, АУ-6 –произведенные в РФ, АУ-1, АУ-2, АУ-7 – иностранные). В качестве адсорбатаиспользовали метан марки ВЧ чистотой не менее 99,98 %.В основе измерения адсорбции лежит измерение количества или массыадсорбируемогогазаобразцомадсорбента,предварительногорегенерированного при температурах от 280 до 350 °С и давлении от0,1 до 1 Па.

Для устранения большинства методических погрешностей, включаякалибровку стенда, проводилось дополнительное модельное измерение смакетом из кварца или меди, объем которого равнялся сумме объемовмикропор и «углеродного скелета» образца адсорбента.Для определения адсорбции [ммоль/г] использовалось следующеевыражение:а=N − NM m− mM=moµ ⋅ mo ,(1)где N и NM – количества газа в ампуле с адсорбентом и с макетомсоответственно;m и mМ – измеряемые массы газа в ампуле с адсорбентом и с макетом;µ – молярная масса метана;mo – масса регенерированного образца адсорбента.Измерения производились на трех установках, расположенных в ФГБУНИнституте физической химии и электрохимии им.

А.Н. Фрумкина РАН (ИФХЭРАН):1) Равновесные величины адсорбции метана в интервалах давлений от0,2 до 25 МПа и температур от 300 до 360 К измеряли объемно-весовымметодом на весовой адсорбционной установке путем измерения массызаполняемой метаном ампулы с адсорбентом или макетом согласно (1).2) Равновесные величины адсорбции метана в интервалах давлений от5 Па до 0,1 МПа и температур от 178 до 360 К измеряли гравиметрическим(весовым) методом на адсорбционной вакуумной установке по изменениюмассы образца адсорбента, при этом макет не требовался (mМ=0).3) Равновесные величины адсорбции метана в интервалах давлений от0,1 до 6,0 МПа и температур от 178 до 360 К измеряли на универсальной5адсорбционно-дилатометрической установке объемным методом путем подачив ампулу известных объемов газа из калибровочного объема.Погрешности измерения зависят от области давлений и температур, нопри этом абсолютная погрешность во всех экспериментах не превышала0,083 ммоль/г, а относительная погрешность изменялась от 0,1 до 4,2 %(меньшее значение при более высоких давлениях).В третьей главе приведены результаты экспериментальныхисследований адсорбции метана на шести адсорбентах.На Рисунке 1 приведены изотермы адсорбции (совпадающие сизотермами десорбции в силу обратимости процессов) метана на адсорбентеАУ-1.

Изотермы в координатах a – ln P имеют s-образный вид и в областисредних заполнений практически линейны. С ростом температуры изотермыпочти симбатно сдвигаются в область высоких температур.Рисунок 1.Изотермы адсорбцииметана на углеродномадсорбенте АУ-11 – 178 К; 2 – 216 К;3 – 243 К; 4 – 273,15 К;5 – 300 К; 6 – 320 К;7 – 340 К; 8 – 360 К;символы –экспериментальныеданные; линии –аппроксимационныекривыеПо результатам измерений адсорбции метана были определены изостерыадсорбции, т.е. линии постоянной адсорбции (a = const), которые в координатахln P – 1/T хорошо аппроксимируются прямыми.

Полученные изостеры удобныдля определения равновесных адсорбции a давлений P при практически любойтемпературе T, что и обуславливает практическую ценность изостер.Для расчета термодинамических свойств адсорбента и адсорбционнойсистемы используется понятие мольной дифференциальной изостерическойтеплоты адсорбции, которая определяется как разность между мольнойэнтальпией равновесного газа hg и дифференциальной мольной изостерическойэнтальпией системы «адсорбент – адсорбат» (∂h1/∂a)T . В случае, когда неучитывается деформация адсорбента (адсорбционно-стимулированная илитемпературная), мольная дифференциальная изостерическая теплота адсорбцииопределяется из результатов измерения адсорбции согласно выражению: ∂(ln P )   ∂P  ∂h qst = hg −  1  = − R ⋅ Z ⋅  − ⋅ν ( a ) , ∂a T ∂( 1 / T )  a  ∂a T(2)где Z – коэффициент сжимаемости равновесной газовой фазы придавлении P, температуре T;6R – универсальная газовая постоянная;ν (a) = V1 / mo – удельный объем адсорбционной системы «адсорбент –адсорбат», приведенный к массе регенерированного адсорбента mo;V1 – объем системы «адсорбент – адсорбат» (сумма объемов «углеродногоскелета» адсорбента и объема его микропор);a – равновесная величина адсорбции при данных давлении и температуре.На Рисунке 2 приведена зависимость мольной дифференциальнойизостерической теплоты адсорбции метана на адсорбенте АУ-1 от адсорбции.Форма кривых определяется взаимодействием молекул метана на начальномучастке с адсорбционными центрами и отталкиванием молекул при большихзаполнениях.Рисунок 2.Зависимость дифференциальноймольной изостерической теплотыадсорбции метана на адсорбентеАУ-1 от величины адсорбции приразличных температурах1 – 178 К; 2 – 216 К; 3 – 243 К;4 – 273,15 К; 5 – 300 К; 6 – 320 К;7 – 340 ; 8 – 360 К; символы –экспериментальные данные;сплошные линии – аппроксимация.С помощью изостер были рассчитаны адсорбционные свойстваисследуемых адсорбентов в широкой области температур и давлений.Недостающие участки вне областей измерения были дополнены с помощьюаппроксимации ближайших точек по эмпирическому уравнению Кисарова (ванглоязычной литературе - уравнению Sips) и экстраполяции данной функции.Согласно литературе данное эмпирическое уравнение наиболее точноописывает форму изотерм адсорбции.

В результате были полученынепрерывные и «гладкие» функций адсорбции и теплоты адсорбции винтервале давлений 1 Па – 25 МПа при практически любой температуре (от 180до 400 К). Данное преобразование необходимо для анализа адсорбционныхсистем аккумулирования в условиях, отличающихся от экспериментальных.В четвертой главе представлены результаты исследования свойствадсорбционной системы аккумулирования метана с различными адсорбентамив широких областях давлений и температур. Приведена классификацияадсорбционных систем и путей повышения их эффективности.Основной характеристикой адсорбционной системы аккумулированияявляется удельная масса mуд [кг/м3] или приведенное к стандартным условиямудельное количество (объем) Vуд аккумулируемого метана [м3 (нтд)/м3]:mуд = a ⋅ ρ p + ε ⋅ ρ g ,(3)Vуд = mуд / ρn ,(4)7где a – адсорбция метана при определенном давлении P и температуре T;ρp – насыпная плотность адсорбента;ε – порозность, свободное для газовой фазы пространство, определяетсявычитанием объема микропор и «углеродного скелета» адсорбента;ρg – плотность газовой фазы при данных температуре и давлении;ρn – плотность метана при нормальной температуре и давлении – «нтд»(293,15 К и 101325 Па).Максимальное количество аккумулируемого газа зависит оттемпературы, но однозначно определяется максимальным расчетнымдавлением баллона и допустимой температурой нагрева (выбрана температура50 ºС, соответствующая пропан-бутановым системам хранения).

Характеристики

Список файлов диссертации