变压吸附氢气纯化性能的参数研究

发布时间：2020-04-22 06:46

【摘要】：氢能是一种理想的清洁能源,对氢能的开发和利用能够有效地解决能源问题。氢能的发展离不开对氢气分离和纯化的研究,应用变压吸附(PSA:Pressure Swing Adsorption)技术能够有效地分离和纯化氢气。为此,本文重点对变压吸附过程进行模拟,并分析影响氢气纯化性能的主要参数。首先,本文基于Langmuir吸附等温线方程,对单组分气体吸附过程进行验证,并将其扩展用于描述多组分气体吸附平衡过程,结合线性驱动力方程、理想气体状态方程和质量、能量及动量守恒方程建立气体吸附与传热传质理论模型。通过Comsol软件模拟两组分气体(H_2/CO_2)在活性炭吸附床中的吸附过程,研究不同组分浓度和CO_2吸附热对穿透曲线和床内温度变化曲线的影响,并采用变化的吸附热,对不同压力条件下的穿透曲线和床内温度变化曲线进行模拟,提高对热效应研究的准确性。其次,以新型吸附材料Cu-BTC作为吸附剂,运用Aspen Adsorption软件对两组分气体(H_2/CO_2)和三组分气体(H_2/CO_2/CH_4、H_2/CO_2/CO、H_2/CO_2/N_2)的吸附脱附过程和变压吸附循环进行模拟。将吸附脱附过程中的穿透曲线及床内温度变化曲线和四步变压吸附循环中出口处摩尔分数、床内温度和压力变化曲线的模拟结果与实验结果进行对比,验证变压吸附模型的正确性。在此基础上,研究吸附压力和进气流率对吸附过程的影响,并分析进气流率、吸附阶段时间和压力对变压吸附氢气纯化性能的影响。最后,运用Aspen Adsorption软件模拟五组分气体(H_2/CO_2/CO/CH_4/N_2)在活性炭/沸石层状床中的吸附过程和变压吸附循环。首先研究五组分气体在活性炭吸附床中的吸附过程。接着在活性炭吸附床中添加沸石层,分析五组分气体在活性炭/沸石层状中穿透曲线的变化。进一步模拟和验证五组分气体在层状床中的变压吸附循环,分别研究单床四步、双床六步和四床八步变压吸附循环对氢气纯化性能的影响。最后研究层状床中活性炭与沸石吸附剂的高度比对氢气纯化性能的影响,为变压吸附循环系统的优化设计提供参考。本文根据吸附与传热传质等理论,建立气体在多孔介质中吸附模型,模拟吸附过程与变压吸附循环,研究氢气纯化性能的影响参数,对变压吸附系统的优化设计和实际操作具有理论指导和实际应用价值。
【图文】：

想气体状态方程和质量、能量及动量守恒方程对模型进行描述。③运用 Comsol 软件，模拟两组分气体在活性炭吸附床中的吸附过程，通过实验数据进行对比，验证模拟结果的正确性，进一步模拟分析进气流量和吸附热对穿透曲线及其热效应的影响。③运用AspenAdsorption模拟多组分气体在Cu-BTC吸附床和活性炭/沸石层状床中的吸附过程和变压吸附循环过程，与实验数据验证正确性后，研究不同吸附压力、进气流率和吸附步骤时间以及变压吸附循环的设计和层状床的高度比对氢气纯化性能的影响。本文采用的具体技术路线如图 1-1 所示。

图 4-1 单床四步变压吸附循环模拟流程图 Cu-BTC 吸附床氢气纯化变压吸附循环的模拟中，主要采用吸附循环，其包括吸附（AD）、降压（BD）、冲洗（PG）和升对吸附等温线的研究可以知道，在压力较高的状态下，吸附大，故在压力较高的情况下，，将混合气体从 F1 通入，VF1 和，另外两个阀门关闭，混合气中的杂质气体能够很好的被 B，得到纯净的氢气从 P1 出来。当 B1 中吸附剂即将达到饱气的通入，将 VF1 和 VP1 阀门关闭，VW1 阀门打开，进行下降，吸附剂的吸附性能下降，原本吸附在吸附床中的杂质经过这个状态仍然有残余杂质气体被吸附在吸附剂中。此，从 U1 中通入少量纯净的氢气对吸附床进行逆向冲洗，使质气体彻底的脱附出来，完成吸附床再生。在进行下一轮吸门打开其他阀门关闭，通过顺向通入少量的气体使得吸附
【学位授予单位】：武汉理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TQ116.2

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本文编号：2636270