【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,應用變壓吸附(PSA:Pressure Swing Adsorption)技術能夠有效地分離和純化氫氣。為此,本文重點對變壓吸附過程進行模擬,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行驗證,并將其擴展用于描述多組分氣體吸附平衡過程,結合線性驅動力方程、理想氣體狀態(tài)方程和質量、能量及動量守恒方程建立氣體吸附與傳熱傳質理論模型。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)溫度變化曲線進行模擬,提高對熱效應研究的準確性。其次,以新型吸附材料Cu-BTC作為吸附劑,運用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)中出口處摩爾分數(shù)、床內(nèi)溫度和壓力變化曲線的模擬結果與實驗結果進行對比,驗證變壓吸附模型的正確性。在此基礎上,研究吸附壓力和進氣流率對吸附過程的影響,并分析進氣流率、吸附階段時間和壓力對變壓吸附氫氣純化性能的影響。最后,運用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。進一步模擬和驗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)化設計提供參考。本文根據(jù)吸附與傳熱傳質等理論,建立氣體在多孔介質中吸附模型,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)化設計和實際操作具有理論指導和實際應用價值。
【圖文】：

想氣體狀態(tài)方程和質量、能量及動量守恒方程對模型進行描述。③運用 Comsol 軟件，模擬兩組分氣體在活性炭吸附床中的吸附過程，通過實驗數(shù)據(jù)進行對比，驗證模擬結果的正確性，進一步模擬分析進氣流量和吸附熱對穿透曲線及其熱效應的影響。③運用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，與實驗數(shù)據(jù)驗證正確性后，研究不同吸附壓力、進氣流率和吸附步驟時間以及變壓吸附循環(huán)的設計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，另外兩個閥門關閉，混合氣中的雜質氣體能夠很好的被 B，得到純凈的氫氣從 P1 出來。當 B1 中吸附劑即將達到飽氣的通入，將 VF1 和 VP1 閥門關閉，VW1 閥門打開，進行下降，吸附劑的吸附性能下降，原本吸附在吸附床中的雜質經(jīng)過這個狀態(tài)仍然有殘余雜質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行逆向沖洗，使質氣體徹底的脫附出來，完成吸附床再生。在進行下一輪吸門打開其他閥門關閉，通過順向通入少量的氣體使得吸附
【學位授予單位】：武漢理工大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2018
【分類號】：TQ116.2

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本文編號：2636270