甲烷/氢气吸附模型及存储过程热效应研究

【摘要】：活性炭等碳基材料的吸附存储氢气/天然气在各类存储方法中具有潜在的应用前景，但在实际中面临能量存储密度低、吸附过程热效应等问题，针对上述问题本文展开如下方面研究： 超临界温度气体吸附平衡模型分析。基于在温度区间268.15K-338.15K、压力范围0-12.5MPa测试的甲烷在比表面积为1200m2g1的Ajax活性炭上的吸附平衡数据，比较Langmuir、Langmuir-Freundlich和Toth方程的预测精度，并由确定的绝对吸附量标绘了甲烷在Ajax活性炭上的等量吸附热。结果表明，Toth方程在整个实验压力范围0-10MPa内的预测结果最为准确，但Langmuir-Freundlich方程在较高压力区域具有较高的预测精度；甲烷吸附相密度随平衡温度和压力变化，由绝对吸附量确定的甲烷在Ajax活性炭上的平均等量吸附热为15.72kJ mol1，小于由过剩吸附量标绘的结果。 分析温度变化对氢在活性炭上等量吸附热的影响。选用比表面积为2074m2g1的椰壳型SAC-02活性炭，在温度区间77.15K-293.15K，压力范围0-11MPa，由Setaram PCT ProEE测试氢在其上的吸附平衡数据。引用Ozawa对吸附相作过热液体的假设确定绝对吸附等温线，并在不同温度区间由等量吸附线标绘，确定等量吸附热。结果表明，氢在SAC-02活性炭上的等量吸附热随温度升高而增大，等量吸附热在整个测试温度范围内平均值为5.62kJ mol-1。必须选用活性炭吸附储氢温度区域吸附数据的等量吸附线标绘，才能确定用于分析吸附过程热效应的等量吸附热。 ANG吸附系统充放气试验。为开发适用于家庭环境的吸附式天然气（ANG）储罐，以家用ANG吸附储罐为研究对象，设计了容积为1.5L并配有螺旋换热管与径向多孔管的圆筒状吸附储罐。选择比表面积为2074m2g1的SAC-02椰壳活性炭作吸附剂，在室温、15L/min流率及平衡压力3.5MPa条件下，比较测试了径向多孔充放气及螺旋换热管中循环水温度变化对储罐吸附床温度分布、总充放气量及有效充放气效率的影响。结果表明，径向多孔管充放气有利于进一步缓解吸附热效应；在螺旋换热管内通循环水可有效缓解吸附热效应；循环冷却水温度越低，甲烷的存储量越大。循环加热水的温度越高，甲烷放气量也就越大。 充气过程热量分析和Simulink模拟。在充气过程中作等温绝热、甲烷为理想气体、活性炭为均匀连续介质、吸附床有均匀初始温度和初始压力、罐壁与外界绝热、活性炭颗粒传质阻力忽略的假设下，在303K、3.5MPa和15L/min流率条件下的充气过程中，吸附储罐增加的总能量中由甲烷在活性炭上吸附放出的吸附热占94.6%、甲烷压缩产热占5.4%。由Simulink仿真得出充入甲烷的总质量为0.11006kg大于实验得出的0.07681kg。Simulink结果显示充气过程中储罐内压力和平均温度的变化均与实验结果吻合较好，Simulink可以很好地模拟ANG吸附储罐的充气过程，可以为研究吸附热效应提供帮助。 【关键词】：甲烷 氢气 活性炭 吸附模型 过程热效应 Simulink模拟
【学位授予单位】：集美大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2013
【分类号】：TE82
【目录】：

• 摘要4-6
• Abstract6-10
• 主要符号表10-11
• 第1章 绪论11-19
• 1.1 引言11
• 1.2 氢气和天然气11-12
• 1.3 研究现状分析12-17
• 1.3.1 吸附理论12-15
• 1.3.2 吸附剂15-16
• 1.3.3 吸附热效应及管理16-17
• 1.4 本文的主要工作及创新点17-19
• 1.4.1 主要研究内容17-18
• 1.4.2 创新点18-19
• 第2章 吸附平衡模型研究19-28
• 2.1 引言19
• 2.2 甲烷在活性炭上吸附平衡分析19-23
• 2.2.1 实验19-20
• 2.2.2 吸附模型分析20-22
• 2.2.3 结果分析22-23
• 2.3 氢在活性炭上的吸附平衡分析23-27
• 2.3.1 实验24-25
• 2.3.2 结果分析25-27
• 2.4 本章小结27-28
• 第3章 家用 ANG 系统充放气试验研究28-40
• 3.1 引言28
• 3.2 试验28-30
• 3.2.1 吸附容器28-29
• 3.2.2 试验装置29-30
• 3.3 充气过程30-34
• 3.3.1 进气方式的影响30-32
• 3.3.2 冷却水温度对充气过程的影响32-34
• 3.4 放气过程34-38
• 3.4.1 放气方式的影响34-37
• 3.4.2 循环水温度对放气过程的影响37-38
• 3.5 本章小结38-40
• 第4章 ANG 系统充气过程能量分析和模拟仿真40-53
• 4.1 引言40
• 4.2 能量分析40-44
• 4.2.1 吸附平衡分析40-41
• 4.2.2 实验数据分析41-42
• 4.2.3 充气过程能量变化42-44
• 4.3 充气过程模拟44-52
• 4.3.1 数学模型44-46
• 4.3.2 吸附过程的 Simulink 模型46-49
• 4.3.3 结果分析49-52
• 4.4 本章小结52-53
• 第5章 总结和展望53-55
• 致谢55-56
• 参考文献56-59
• 附录59-61
• 在学期间发表的学术论文61

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