【摘要】：氫能是一種理想的清潔能源,對氫能的開發(fā)和利用能夠有效地解決能源問題。氫能的發(fā)展離不開對氫氣分離和純化的研究,應(yīng)用變壓吸附(PSA:Pressure Swing Adsorption)技術(shù)能夠有效地分離和純化氫氣。為此,本文重點(diǎn)對變壓吸附過程進(jìn)行模擬,并分析影響氫氣純化性能的主要參數(shù)。首先,本文基于Langmuir吸附等溫線方程,對單組分氣體吸附過程進(jìn)行驗(yàn)證,并將其擴(kuò)展用于描述多組分氣體吸附平衡過程,結(jié)合線性驅(qū)動(dòng)力方程、理想氣體狀態(tài)方程和質(zhì)量、能量及動(dòng)量守恒方程建立氣體吸附與傳熱傳質(zhì)理論模型。通過Comsol軟件模擬兩組分氣體(H_2/CO_2)在活性炭吸附床中的吸附過程,研究不同組分濃度和CO_2吸附熱對穿透曲線和床內(nèi)溫度變化曲線的影響,并采用變化的吸附熱,對不同壓力條件下的穿透曲線和床內(nèi)溫度變化曲線進(jìn)行模擬,提高對熱效應(yīng)研究的準(zhǔn)確性。其次,以新型吸附材料Cu-BTC作為吸附劑,運(yùn)用Aspen Adsorption軟件對兩組分氣體(H_2/CO_2)和三組分氣體(H_2/CO_2/CH_4、H_2/CO_2/CO、H_2/CO_2/N_2)的吸附脫附過程和變壓吸附循環(huán)進(jìn)行模擬。將吸附脫附過程中的穿透曲線及床內(nèi)溫度變化曲線和四步變壓吸附循環(huán)中出口處摩爾分?jǐn)?shù)、床內(nèi)溫度和壓力變化曲線的模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對比,驗(yàn)證變壓吸附模型的正確性。在此基礎(chǔ)上,研究吸附壓力和進(jìn)氣流率對吸附過程的影響,并分析進(jìn)氣流率、吸附階段時(shí)間和壓力對變壓吸附氫氣純化性能的影響。最后,運(yùn)用Aspen Adsorption軟件模擬五組分氣體(H_2/CO_2/CO/CH_4/N_2)在活性炭/沸石層狀床中的吸附過程和變壓吸附循環(huán)。首先研究五組分氣體在活性炭吸附床中的吸附過程。接著在活性炭吸附床中添加沸石層,分析五組分氣體在活性炭/沸石層狀中穿透曲線的變化。進(jìn)一步模擬和驗(yàn)證五組分氣體在層狀床中的變壓吸附循環(huán),分別研究單床四步、雙床六步和四床八步變壓吸附循環(huán)對氫氣純化性能的影響。最后研究層狀床中活性炭與沸石吸附劑的高度比對氫氣純化性能的影響,為變壓吸附循環(huán)系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供參考。本文根據(jù)吸附與傳熱傳質(zhì)等理論,建立氣體在多孔介質(zhì)中吸附模型,模擬吸附過程與變壓吸附循環(huán),研究氫氣純化性能的影響參數(shù),對變壓吸附系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)和實(shí)際操作具有理論指導(dǎo)和實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。
【圖文】：

想氣體狀態(tài)方程和質(zhì)量、能量及動(dòng)量守恒方程對模型進(jìn)行描述。③運(yùn)用 Comsol 軟件，模擬兩組分氣體在活性炭吸附床中的吸附過程，通過實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行對比，驗(yàn)證模擬結(jié)果的正確性，進(jìn)一步模擬分析進(jìn)氣流量和吸附熱對穿透曲線及其熱效應(yīng)的影響。③運(yùn)用AspenAdsorption模擬多組分氣體在Cu-BTC吸附床和活性炭/沸石層狀床中的吸附過程和變壓吸附循環(huán)過程，與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)驗(yàn)證正確性后，研究不同吸附壓力、進(jìn)氣流率和吸附步驟時(shí)間以及變壓吸附循環(huán)的設(shè)計(jì)和層狀床的高度比對氫氣純化性能的影響。本文采用的具體技術(shù)路線如圖 1-1 所示。

圖 4-1 單床四步變壓吸附循環(huán)模擬流程圖 Cu-BTC 吸附床氫氣純化變壓吸附循環(huán)的模擬中，主要采用吸附循環(huán)，其包括吸附（AD）、降壓（BD）、沖洗（PG）和升對吸附等溫線的研究可以知道，在壓力較高的狀態(tài)下，吸附大，故在壓力較高的情況下，，將混合氣體從 F1 通入，VF1 和，另外兩個(gè)閥門關(guān)閉，混合氣中的雜質(zhì)氣體能夠很好的被 B，得到純凈的氫氣從 P1 出來。當(dāng) B1 中吸附劑即將達(dá)到飽氣的通入，將 VF1 和 VP1 閥門關(guān)閉，VW1 閥門打開，進(jìn)行下降，吸附劑的吸附性能下降，原本吸附在吸附床中的雜質(zhì)經(jīng)過這個(gè)狀態(tài)仍然有殘余雜質(zhì)氣體被吸附在吸附劑中。此，從 U1 中通入少量純凈的氫氣對吸附床進(jìn)行逆向沖洗，使質(zhì)氣體徹底的脫附出來，完成吸附床再生。在進(jìn)行下一輪吸門打開其他閥門關(guān)閉，通過順向通入少量的氣體使得吸附
【學(xué)位授予單位】：武漢理工大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號(hào)】：TQ116.2

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本文編號(hào)：2636270