气体分离用管状炭分子筛膜

以无机陶瓷管为支撑体、热塑性酚醛树脂为原料,经高温炭化制备了炭分子筛膜。用低温N2吸附的方法测定了炭分子筛膜的比表面积,用扫描电子显微镜对膜的形貌和厚度进行了表征。考察了膜的气体透过率以及气体的理想选择性随温度的变化关系:H2、CO2、O2、N2和CH4的透过率随温度的升高而增大;理想选择性α(H2/N2)、α(CO2/N2)、α(CO2/CH4)随温度的升高而减小,而α(O2/N2)随温度的升高先增大后减小,在90℃左右气体选择性达到最大。最后由阿累尼乌斯公式计算了气体透过炭分子筛膜的活化能,进一步说明气体透过机理为活化扩散。     

水合物法分离低浓度煤层气中的甲烷

向模拟煤层气(13.11vol% CH4+86.89vol% N2)中添加5.8mol%四氢呋喃(THF)?0.03mol%十二烷基硫酸钠(SDS)促进剂溶液分离提纯煤层气,考察了压力、温度、反应时间对气体消耗量、反应速率、分解气中甲烷浓度、甲烷回收率和甲烷分离因子的影响,采用色谱分析法分别测定了CH4在剩余气相和分解气相中的浓度。结果表明,压力增加,CH4回收率增大,CH4分离因子增大,CH4分离效果越好;温度是影响甲烷分离因子的关键因素,温度降低,氮气和甲烷竞争进入水合物晶体中,导致水合物相中甲烷浓度降低;温度升高有利于提高水合物对甲烷的选择性。甲烷回收效率最高可达98.65%,分离因子最大为14.83。随反应时间增加,分解气中CH4浓度升高。     

受限于ITQ-3(ITE)中的Ar和CH_4扩散特性的分子动力学模拟

用分子动力学方法模拟了Ar和CH4在二维分子筛(ITQ-3)中的扩散行为,考察了两分子随时间变化的均方位移(MSD)图,并分别计算了随温度变化扩散系数的变化。总体来看,两种分子均是随温度的升高扩散系数增大,基本符合Einstein法求算扩散系数,其中Ar的扩散系数比CH4的小,同时表明了分子动力学模拟方法可以很好的测量分子的扩散系数,是一个有效的理论计算方法。     

尺寸效应影响的页岩吸附CH4试验研究

目前开展页岩中CH4吸附量的试验研究多采用毫米级以下的粉状页岩,而采用块状页岩及考虑尺寸效应影响的页岩吸附CH4研究较少.为此,利用自主研发的气体吸附解吸试验系统,开展考虑尺寸效应、吸附压力和温度对页岩中CH4吸附量影响规律研究.试验结果表明:页岩对CH4的吸附量随压力的升高而增大,随温度的升高CH4吸附量逐渐减小;随着页岩试件块度的减小,在每个测量点页岩对CH4的吸附量平均增长6～7倍以上.粉状页岩CH4的吸附量大于块状页岩CH4的吸附量.结论 认为,页岩对CH4的吸附平衡时间受尺寸效应影响,试件的块度越大,其达到吸附平衡的时间越长;粉状页岩试件具有更多的高能吸附位暴露在其表面,致使吸附速率增加;尺寸效应对页岩吸附CH4的影响远大于温度的影响;较低吸附压力条件下,尺寸效应不会影响页岩吸附CH4曲线类型.     

催化燃烧法去除含氪气体中甲烷的实验研究

为制备满足放射性测量需求的Kr气体源,需对含Kr气体中的高浓度CH4进行初步分离,本文开展了催化燃烧法分离CH4和Kr的实验研究.研究结果表明,CH4的催化燃烧转化率随CH4浓度和催化温度的升高而增加,H2对CH4催化燃烧的抑制作用随着H2浓度的升高而变大,CO对CH4催化燃烧的抑制作用随着CO浓度的升高而变小,模拟气...     

CH_4/N_2在炭分子筛上的吸附平衡与扩散模型

使用高精密质量吸附仪(IGA-100,HIDEN)测定了CH4和N2纯组分在炭分子筛上于298、313和328 K温度下的吸附等温线及吸附动力学曲线,研究了CH4和N2在炭分子上的吸附热力学及动力学性质。选择Double Langmuir模型(DL)对吸附等温线数据进行了模拟;选择Fick扩散模型进行了吸附动力学的模拟。结果表明,DL模型可以准确地描述CH4和N2在炭分子筛上的吸附,拟合相关系数都非常接近1,N2在该炭分子筛上的吸附量大于CH4的吸附量;通过Fick扩算模型计算得:2 4N CHD/D=7.26,N2在该炭分子筛上的扩散速率大于CH4,所以该炭分子筛可以实现固定床出口直接富集CH4的目的。     

高压下CO2在几种物理吸收剂中的溶解度测定

为开发新型高效物理吸收溶剂,采用恒定溶剂法,测定了不同温度、压力条件下,CO2气体在酮、碳酸酯、乙酸酯、二酸酯、醚及醚酯化合物等不同纯溶剂中的溶解度,温度变化282.76-302.81 K,压力最高可达4 MPa.结果表明:在此测定条件下,CO2在物理溶剂中的溶解度符合亨利定律,溶解度随压力升高而增大,随温度升高而减小...     

红霉素在大孔树脂上的吸附动力学研究

采用液膜及孔内扩散模型,模拟不同温度和不同红霉素(EM)初始浓度条件下,大孔吸附树脂HZ816及XAD16吸附红霉素的动态吸附曲线,并获得液膜传质及孔内扩散系数;考察了温度及溶质浓度对红霉素在两种树脂中吸附动力学的影响.结果表明,在实验范围内,红霉素在HZ816和XAD16两种树脂上的吸附平衡数据满足Langmuir吸附等温线方程,液膜及孔内扩散模型能较好地描述红霉素在两种树脂上的吸附动力学,同时,模型拟合得到的液膜传质系数随着温度的升高而增大,随着初始浓度的增大而增大,孔内扩散系数随着温度的升高而增大,随着初始浓度的增大而减小.     

注射成型保压阶段气体吸附扩散行为分子动力学模拟

构建了包含4条聚合度为40的全同立构聚苯乙烯(iPS)、间规立构聚苯乙烯(sPS)和无规立构聚苯乙烯(aPS)等6种PS分子链晶胞模型,采用Monte Carlo法分析研究了氧气/氮气(O_2/N_2)在PS熔体中的平衡吸附情况,引入Compass力场对温度-压力耦合效应下O_2、N_2纯组分及混合组分在PS熔体中的扩散行为进行分子动力学(MD)模拟。结果表明,在不同结构的PS熔体中,O_2/N_2混合状态下可以提高气体的总体吸附作用,但却抑制了纯O2或纯N2的吸附能力;混合气体能在一定程度上提高气体的扩散能力;O_2/N_2在PS熔体中扩散能力的强弱受PS主链活跃性和溶剂气体分子体积的影响;气体在不同结构的PS熔体中的扩散行为是从非爱因斯坦扩散到爱因斯坦扩散的转变过程,且以跳跃式、孔穴扩散形态存在。     

炭膜的二氧化碳吸附扩散性能的研究

以商业化的Kapton型聚酰亚胺为前驱体制备炭膜,采用容量法研究了不同炭化温度制备的炭膜CO2吸附和扩散行为,并利用Sips模型对实验数据进行拟合,DA方程计算炭膜的孔结构参数,Fick扩散模型求取CO2在炭膜内的扩散系数,采用XRD分析探讨了炭膜的炭结构。结果表明,炭膜孔结构随着热解炭化温度的提高,孔径收缩,且当炭化温度从600℃升高到800℃,炭膜的微孔体积随炭化温度的升高而增大,而800℃以后,微孔体积随炭化温度的升高而下降。CO2在不同炭膜中的扩散系数约为1.04×10-13~8.56×10-12m2·s-1,在实验测定的压力范围内扩散系数随着平衡压力的增大呈现出先增大后减小的规律。     

不同管径碳纳米管中CO2/CH4分离的分子模拟

生物甲烷路线在CO₂减排和节能方面有很大的应用前景。而对生物沼气的分离是此路线的一个关键问题,特别是在60℃和0.1 MPa下。巨正则Monte Carlo（GCMC）和平衡分子动力学（EMD）的分子模拟方法研究CO₂和CH₄在不同管径的碳纳米管（CNT）中的吸附和扩散,可以从分子层面研究生物沼气的分离机理。分别计算了CO₂/CH₄二元混合物吸附量、吸附选择性、自扩散系数和渗透选择性等参数。模拟结果表明：由于碳管的受限空间和CO₂与碳纳米管壁面分子之间强相互作用,导致二元等物质的量的混合物CO₂/CH₄的吸附量和扩散系数的差异。CO₂的吸附量和自扩散系数都比CH₄的大。渗透选择性在碳管管径达到最接近1 nm时达到最大值,此时混合物的分离过程是吸附控制,而非扩散控制。     

页岩中黏土矿物吸附特性分子模拟

页岩的吸附解吸特性对页岩气资源开发具有重要意义。为深入了解页岩中黏土矿物微观吸附机理, 利用Material Studio 分子模拟软件构建了伊利石、蒙脱石和高岭石3种黏土矿物分子模型, 采用巨正则Monte Carlo(GCMC)方法对3种模型的等温吸附量和吸附热进行了模拟计算。研究表明, 在相同温度和压力条件下3种黏土矿物对CH₄分子的吸附量大小顺序是伊利石>蒙脱石>高岭石;随压力增大3种黏土矿物对CH₄分子的吸附量均有所增加, 而且伊利石和蒙脱石对CH₄分子的吸附量对压力变化更为敏感;3种黏土矿物的等量吸附热均小于42 kJ·mol^-1, 对CH₄的吸附为物理吸附;随着温度的升高, CH₄分子的吸附热和吸附量均减小。     

炭膜分离CO2/CH4混合气的分子模拟

针对炭膜分离CO₂/CH₄混合气体的过程,分别采用Materials Studio和Lammps软件进行分子模拟,建立与炭膜孔结构相近的Z字形孔模型,通过实验数据验证了模型的可靠性,通过对CO₂/CH₄纯组分及混合气体在膜孔内的吸附和扩散过程的模拟得到分离系数并探讨气体分离机理。综合吸附与扩散过程的模拟结果表明:适当的低温和较小的孔径有利于实现CO₂/CH₄混合气体的分离;随着温度的升高,CO₂/CH₄的分离系数减小,而且膜孔径对分离系数的排序为0.670nm>1.005nm>1.340nm;在温度为298K、膜孔径为0.670nm的操作条件下CO₂/CH₄的分离系数为20.1,与实验数据较吻合。研究结果可为优化炭膜制备提供指导,并为探讨分离过程机理提供依据。     

Adsorption behavior of carbon dioxide and methane in bituminous coal: A molecular simulation study

The adsorption behavior of CO₂, CH₄ and their mixtures in bituminous coal was investigated in this study. First, a bituminous coal model was built through molecular dynamic (MD) simulations, and it was confirmed to be reasonable by comparing the simulated results with the experimental data. Grand Canonical Monte Carlo (GCMC) simulations were then carried out to investigate the single and binary component adsorption of CO₂ and CH₄ with the built bituminous coal model. For the single component adsorption, the isosteric heat of CO₂ adsorption is greater than that of CH₄ adsorption. CO₂ also exhibits stronger electrostatic interactions with the heteroatom groups in the bituminous coal model compared with CH₄, which can account for the larger adsorption capacity of CO₂ in the bituminous coal model. In the case of binary adsorption of CO₂ and CH₄ mixtures, CO₂ exhibits the preferential adsorption compared with CH₄ under the studied conditions. The adsorption selectivity of CO₂ exhibited obvious change with increasing pressure. At lower pressure, the adsorption selectivity of CO₂ shows a rapid decrease with increasing the temperature, whereas it becomes insensitive to temperature at higher pressure. Additionally, the adsorption selectivity of CO₂ decreases gradually with the increase of the bulk CO₂ mole fraction and the depth of CO₂ injection site.     

CO2和O2在聚乳酸/聚偏二氟乙烯共混物中扩散行为的分子动力学模拟研究

采用分子动力学模拟方法研究了CO₂和O₂分子在聚乳酸/聚偏二氟乙烯（PLA/PVDF）共混物中的扩散行为;通过菲克第一定律和Einstein关系式计算了共混物体系模型的自由体积分数以及CO₂和O₂分子在体系中的扩散系数,研究探讨了自由体积分数与探头半径的关系及自由体积分数与扩散系数的关系。结果表明,当PLA/PVDF共混物中PLA和PVDF的质量比为9∶1时,CO₂和O₂气体分子的扩散系数均为最小,共混物阻隔性能最好;共混体系中小分子的动力学半径越小,扩散系数越大;自由体积分数随硬球探头模型中探头半径的增大而减小;不同共混物体系中,自由体积分数的变化趋势与扩散系数一致,与Fox和Flory的自由体积理论相符。     

碳分子筛变压吸附提纯沼气的性能

选择碳分子筛,以CH₄和CO₂为原料气,对变压吸附法提纯沼气中生物甲烷的分离性能进行了研究。采用高精度智能重量分析仪IGA-100测定了25℃下CH₄、CO₂和N₂纯组分气体在碳分子筛上的吸附平衡等温线,计算了3种气体在碳分子筛内的扩散速率CO₂>N₂>CH₄。使用单塔变压吸附装置测量了动态吸附穿透曲线,考察了吸附压力、气体流量和少量氮气等因素对吸附分离的影响,并对吸附机理做了初步探讨。实验结果表明,在吸附压力为0.4MPa、气体流量为200mL/min时,在碳分子筛上CO₂穿透吸附量为35.9mL/g,CH₄穿透吸附量为5.4mL/g,CO₂/CH₄分离系数高达12.6,可直接从吸附塔顶富集纯净的CH₄,而且碳分子筛可以通过抽真空完全再生,是一种理想的吸附材料;在有少量氮气存在的实验条件下,由于碳分子筛对CH₄和N₂具有动力学分离效应,仍能在塔顶富集高浓度的CH₄。     

Nitrogen rejection from low quality natural gas by pressure swing adsorption experiments and simulation using dynamic adsorption isotherms

In order to remove N₂ from low quality natural gas, a mathematical model has been established by Aspen adsorption, using the CH₄-selective sorbent silicalite-1 pellets. The dynamic adsorption isotherm was first simulated by breakthrough simulation of a CH₄/N₂ mixture at different adsorption pressures and feed flow rates based on breakthrough experiments. The resulting simulated CH₄ dynamic adsorption amounts were very close to the experimental data at three different adsorption pressures (100, 200, and 300 kPa). Moreover, a single-bed, three-step pressure swing adsorption (PSA) experiment was performed, and the results were in good agreement with the simulated data, further corroborating the accuracy of the gas dynamic adsorption isotherm obtained by the simulation method. Finally, based on the simulated dynamic adsorption isotherm of CH₄ and N₂, a four-bed, eight-step PSA process has been designed, which enriched 75% (vol) CH₄ and 80% (vol) CH₄ to 95% (vol) and 99% (vol), and provided 99% (vol) recovery.     

容量法测量5 A分子筛静态吸附CH4、CO和CO2的研究

采用容量法分别测量CH₄、CO和CO₂在5A分子筛上的等温吸附曲线,探究吸附温度和吸附压力对CH₄、CO和CO₂吸附量的影响。实验结果表明,吸附量随着吸附压力的上升逐渐增大。设定吸附温度在30 ℃、50 ℃和70 ℃时,5A分子筛在30 ℃时对CH₄吸附量最大,为13.60 cm³·g^-1;对CO和CO₂吸附量均在50 ℃时呈现最大值,分别为17.68 cm³·g^-1 和94.38 cm³·g^-1。而吸附温度70 ℃时,对3种气体的吸附量均减小。     

沸石ZSM-5吸附回收低浓度煤层气中CH4

利用高硅疏水性沸石ZSM-5吸附回收低浓度煤层气中的甲烷,对其吸附平衡、吸附动力学以及真空变压吸附分离过程进行了理论和实验研究。通过重量法和穿透曲线法测定了CH₄/N₂单组分及双组分的竞争吸附平衡数据,并采用Multisite Langmuir吸附等温线模型对其进行拟合。结合CH₄和N₂稀释穿透曲线实验数据和等温无动量损失的双分散二级孔结构扩散模型,获得CH₄和N₂在沸石ZSM-5上的微孔扩散系数。建立并求解包含质量、动量及能量传递的固定床吸附分离模型方程,预测了CH₄和N₂在沸石ZSM-5上的竞争吸附穿透曲线。进一步采用ZSM-5吸附剂填充床单柱四步真空变压吸附实验考察了进料浓度、进料流速、进料时间以及吹扫比对分离效果的影响。结果发现沸石ZSM-5对CH₄具有较好的选择性,沸石晶粒内的微孔扩散为吸附速率控制步骤,真空变压吸附工艺可将模拟煤层气中20%的CH₄提纯至31%～41%,回收率为93%～98%。     

孔活性炭储存CH4的分子模拟

吸附天然气被认为是未来最具有发展前景的CH₄储存方式之一,其中的关键是寻找合适的吸附剂,使其具有良好的CH₄吸脱附性能。以纳米多孔碳材料作为多孔活性炭的结构,采用巨正则蒙特卡洛（GCMC）和平衡分子动力学（EMD）的方法研究CH₄在纳米多孔碳材料中的吸附和扩散行为,通过考察不同因素的影响,期望获得高的CH₄吸附量和自扩散系数。其中,研究的主要因素有：构成多孔碳材料的石墨片微元的大小、多孔碳材料的不同密度、多孔碳材料的表面基团改性。结果表明：多孔碳材料对CH₄的吸附受石墨片微元种类和混合比例的影响不大;在所研究的多孔碳材料密度范围内,存在最优密度,能够获得最大的CH₄吸附量,此最优密度在0.50 g·cm^-3左右,但是多孔碳材料的表面经羟基修饰后,最佳材料密度发生了偏移,此时最优密度在0.72 g·cm^-3左右;此外,经表面改性后的多孔碳材料吸附量大小顺序为：CH₃ > OH > CO > COOH;对于CH₄在多孔碳材料中的扩散,总体规律是低的密度,并且经过COOH修饰,其CH₄自扩散系数最大。