天然气吸附存储(ANG)复合吸附剂研制

以抑制ANG存储过程中的热效应为目的,展开制备具有较高导热率的复合吸附剂的研究。根据容积法原理,在263.15~313.15K、0~9MPa,选择比表面积为1916m~2/g的活性炭,测试甲烷在膨胀石墨/活性炭混合比率分别为0%、20%和33%的吸附剂试样上的吸附平衡数据,并通过Toth方程和DA方程对吸附数据的模型分析,确定甲烷在吸附剂试样上的等量吸附热。结果表明,随膨胀石墨添加比例增大,复合吸附剂的比表面积与孔容积减小,导热系数显著增大,甲烷在复合吸附剂上的吸附容量和等量吸附热减小;由等量吸附线标绘和引入DA方程计算确定的甲烷在吸附剂上的等量吸附热均处于15~18kJ/mol范围,但DA方程计算结果能体现等量吸附热随温度变化的特点。由活性炭、膨胀石墨复合制备ANG吸附剂需兼顾甲烷在其上的吸附容量、传热与传质性能。     

甲烷在MOF-5和MOF-199上的吸附平衡

以研制吸附式天然气(ANG)用金属有机骨架材料(MOFs)吸附剂为目的,在温度区间283.15～303.15K、压力范围0～9.5MPa,测试并分析了甲烷在制备MOF-5和MOF-199试样上的吸附平衡。首先,运用机械化学法和溶剂热法合成MOF-5和MOF-199,合成试样经XRD衍射、SEM微观形貌观察和热重分析,并由77.15K氮的吸附数据表征样品的孔大小及分布、比表面积和微孔容积。其次,选择极低压力下的吸附平衡数据标定亨利定律常数,确定甲烷在两吸附剂上的极限吸附热。最后,依据测试的甲烷在两种吸附剂上的高压吸附平衡数据,比较了由试验数据关联Langmuir系列方程参数后预测数据的累计相对误差,并由累计相对误差最小的Toth方程计算绝对吸附量后标绘确定甲烷在两试样上的等量吸附热。结果表明,在测试的温度压力范围内,Toth关联方程预测甲烷在MOF-5和MOF-199上吸附平衡数据的累计相对误差为3.17%和4.05%,甲烷在制备MOF-5和MOF-199试样上极限吸附热和等量吸附热的平均值分别为17.33kJ/mol、11.93kJ/mol和20.65kJ/mol、16.34kJ/mol。MOF-199对甲烷分子有较强的吸附作用。     

甲烷在活性炭上吸附的实验及理论分析

为确定甲烷在活性炭上的等量吸附热和预测过剩吸附量的吸附模型,在温度区间268～338K、压力范围0～12.8MPa测试甲烷在Ajax活性炭上的吸附等温线。引用Ono-Kondo方程分析吸附数据,并由等量吸附线标绘和Henry定律常数确定等量吸附热。结果表明,标定参数后的Ono-Kondo方程预测甲烷过剩吸附等温线的相对误差小于2.5%;温度变化影响等量吸附热的数值,甲烷在Ajax活性炭上的等量吸附热和平均极限吸附热分别为17.25kJ·mol-1～21.5kJ·mol-1和22.5kJ·mol-1。应根据吸附天然气(ANG)系统在典型充放气过程中温度变化极值时的等量吸附热来设置吸附热管理措施。     

甲烷在活性炭上的吸附平衡及充气试验

为探索缓解家庭用ANG储罐在使用过程中受热效应影响的热管理措施,在温度区间263.15K～313.15K、压力范围0MPa～8MPa,测试了甲烷在比表面积为2074m2.g-1的SAC-02椰壳活性炭上的吸附平衡数据,并由Toth方程确定了相应的绝对吸附等温线。其次,在室温、3.5MPa、5L.min-1～25L.min-1的甲烷流率下,对装填有390g活性炭、中心区域布置U型换热管的储罐进行充气试验。结果表明,Toth方程在试验范围内的预测相对误差小于3.25%;储罐吸附床压力的上升速率是影响实际充气流率、吸附床温度变化和充气总量的关键因素;在试验范围内,U型管内循环30℃的冷却水可降低吸附床的平均温度和最大温升约3.6℃和7.3℃,但仅能提高约6.5%的总充气量。Toth方程可用于分析甲烷在活性炭上的吸附平衡,延长储罐吸附床压力上升至充气压力的时间可改善ANG储罐的充气性能。     

甲烷在活性炭上的超临界温度吸附实验及理论分析

为研发ANG吸附剂,本文选择比表面积为2074m2.g-1的活性炭SAC-02,在温度区间263.15K～313.15K、压力范围0 MPa～8MPa,应用Setaram PCT Pro E&E测量甲烷在SAC-02活性炭上的吸附等温线,并由D-A方程、Clausius-Clapeyron方程和Virial方程标绘分析了实验数据。结果表明,当压力高于0.08MPa时,确定参数后的D-A方程预测实验数据的相对误差小于5%;甲烷在SAC-02活性炭上的等量吸附热反映了甲烷在能量非均匀表面吸附的特点,数值为13.99kJ.mol-1～17.57 kJ.mol-1,极限吸附热随温度呈线性变化,其平均值为19.43kJ.mol-1。     

基于双位Langmuir模型活性炭的CH_4吸附特征

较之于压缩天然气存储和液化天然气存储,天然气吸附存储(ANG)方式具有能显著降低储存压力和运行成本的优点,然而,要将测定的吸附量转化为绝对吸附量,需要采用合适的模型。为了准确预测活性炭上甲烷的总储存量,采用双位Langmuir模型描述并准确预测了甲烷在活性炭上的吸附行为,误差在5%以内;进而解释了温度介于283.15～323.15 K、压力介于0.1～14.0 MPa条件下,活性炭上甲烷吸附平衡的临界点。研究结果表明:①在过剩吸附量超过极大值后,不同温度下的吸附等温线将出现交叉现象,在交叉点后,温度越高过剩吸附量越大;②甲烷的吸附相体积和气相密度,随平衡温度和压力的变化而变化,随着温度的升高,体积密度项对于绝对吸附量的贡献逐渐减小;③在343.15 K和14 MPa以下,实际吸附甲烷量超过86.9%,游离甲烷相含量低于13.1%,游离甲烷相含量的贡献率随温度的升高而逐渐增大。结论认为,该模型能快速、准确地预测真实的甲烷存储量,可以为大型天然气吸附存储技术的研究和开发提供帮助。     

苯在活性炭纤维上吸附等温线的测定及分析

 采用质量法在Cahn-2000高真空电子天平上测定了温度298～328K和压力0～1.5kPa条件下苯在活性炭纤维上的吸附等温线。用Langmuir方程处理实验数据，得到的吸附模型符合Langmuir模型，并根据吸附等温线用Clausius-Clapeyron方程计算出苯的等量吸附热。结果表明，苯的等量吸附热随着吸附量的增加而减小，由vant Hoff方程计算苯在活性炭纤维上的平均吸附热为39.79kJ/mol。     

页岩吸附超临界CH4的热力学特征

为完善页岩等量吸附热计算方法,明确页岩吸附超临界CH₄的热力学特征,选用温度区间为26.85~199.85 ℃、压力范围为0.08~14 MPa的页岩等温吸附数据,系统检验常用吸附相密度计算方法的合理性,并基于绝对吸附量分析等量线标绘法的适用范围及页岩等量吸附热特征。结果表明：①经检验,常用的吸附相密度计算方法中Ozawa经验公式法适用于较宽温压范围内的绝对吸附量校正;②Lnp-1/T曲线在温度区间为149.85~199.85 ℃且n_ab为0.103 8~0.280 0 mmol/g时不具有线性特征,因此该温度及吸附量范围内等量线标绘法不再适用,同时Lnp-1/T曲线的n_ab取值应当与Lnp-n_ab曲线保持一致,以此获得的等量吸附热曲线才能全面地反映吸附过程的热力学特征;③页岩吸附超临界CH₄的等量吸附热随着吸附量的增加呈现先增大后减小的非单调变化,表明在吸附早期,CH₄分子间的相互作用力对等量吸附热的影响占主导,当吸附量增加到一定程度后,页岩表面的非均一性占主导。     

基于重量法的煤吸附甲烷实验及热力学分析

研究吸附热对认识煤吸附甲烷作用机理具有重要作用.利用重量法对2组煤样进行303 K、308 K、313 K等温吸附实验,计算得到煤吸附甲烷的等量吸附热,分析煤吸附甲烷的热力学性质.结果 表明:计算得到的等量吸附热在实验温度压力及对应的吸附量范围内最大值分别为30.51 kJ/mol和23.14 kJ/mol,表明煤对甲...     

基于重量法的页岩气高压等温吸附研究

基于重量法等温吸附仪,开展了页岩气的高压等温吸附测试。实验结果表明,低压下页岩气吸附特征符合Langmuir模型,在实验压力超过10~12 MPa后,页岩吸附表现出了明显的过剩吸附。高压下,样品桶体积以指数形式逐渐降低,这与高压下样品桶的压缩性有关。页岩样品的体积则呈指数形式增加,并在较小的压力范围内趋于平衡,这与页岩对氦气的微量吸附有关。基于最大过剩吸附后页岩过剩吸附量与气相甲烷密度拟合得到的吸附相甲烷密度在不同最大测试压力下呈现动态变化,以最大过剩吸附量后连续2个压力点测得的过剩吸附量与气相甲烷密度拟合获得的吸附相甲烷密度,最接近页岩表面吸附平衡时吸附相甲烷密度。综合考虑样品桶体积、样品体积及最大过剩吸附前后吸附相甲烷体积的动态变化,能够对页岩气绝对吸附量进行准确校正,实现页岩高压等温吸附特征的精细描述,且页岩高压绝对吸附特征符合Langmuir吸附模型。