二氧化碳在活性炭上的吸附及脱附过程数值模拟

论文摘要

二氧化碳作为最主要的温室气体,直接向大气层排放,将对人类和自然环境产生严重负面影响和危害,因此关于二氧化碳减排问题已成为全球共同关心的议题。而对二氧化碳进行地质存储是很有前途的建议,特别是近来有专家提出用二氧化碳作天然气地下储气库的方法,既缓解了环境压力,又利于地下储气库建设,但前提是找到一种好的方法大量搜集二氧化碳。在众多方法之中,利用多孔介质吸附收集二氧化碳具有广阔前景。活性炭作为多孔介质,对二氧化碳具有很好的吸附性能,本课题的主要任务是研究用多孔介质活性炭来吸附二氧化碳。而多孔介质对二氧化碳的吸脱附量受到多种因素的影响,主要包括三个方面的因素:一是吸附剂的吸附性能,二是二氧化碳气体中气体杂质,三是吸脱附过程中吸附热效应。国内外学者对多孔介质吸脱附二氧化碳做了大量研究工作,取得了很大的成绩,但他们的侧重点在研究高效吸附剂来提高吸附量和二氧化碳的选择性吸附等方面。本文通过实验数据拟合出二氧化碳在活性炭上的吸附等温线,根据克劳修斯-克拉贝龙方程计算出了等量吸附热。以内装活性炭的圆柱形吸附床为研究对象,基于热力学、传热学、流体力学和多孔介质中气体的吸附等理论,建立了吸脱附过程中的动态数学模型,并采用压力速度温度耦合算法对模型进行了数值求解。主要研究吸附床动态吸附/脱附过程中温度场的分布,并研究了不同的充放气压力,不同的充气温度和不同的充放气速度所对应的热效应,探讨了热效应对吸附/脱附量的影响。本文从提高二氧化碳在活性炭上吸附/脱附性能方面,为解决吸附/脱附过程中热效应问题提供了一定的理论依据,对深入研究减缓热效应的措施具有指导意义和实用价值。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题背景及研究目的和意义
• 1.2 吸附/脱附二氧化碳的国内应用及研究现状
• 1.2.1 国内吸附/脱附二氧化碳的工业应用现状
• 1.2.2 国内吸附/脱附二氧化碳的研究现状
• 1.3 吸附/脱附二氧化碳的国外应用及研究现状
• 1.3.1 国外吸附/脱附二氧化碳的工业应用现状
• 1.3.2 国外吸附/脱附二氧化碳的研究现状
• 1.4 本课题的主要工作
• 第2章 吸附原理
• 2.1 吸附基本概念
• 2.1.1 吸附的定义
• 2.1.2 吸附剂及其孔结构
• 2.1.3 吸附剂量的Gibbs定义
• 2.2 吸附等温线及其分类
• 2.3 经典吸附理论及超临界吸附
• 2.3.1 Langmuir理论
• 2.3.2 BET理论
• 2.3.3 吸附势理论及微孔填充理论
• 2.3.4 超临界吸附及其特点
• 2.4 本章小结
• 第3章 二氧化碳在活性炭上的吸附及吸附热效应
• 3.1 二氧化碳在活性炭上的吸附特性
• 3.1.1 二氧化碳在活性炭上吸附等温线
• 3.1.2 亨利常数的确定
• 3.1.3 绝对吸附量的确定
• 3.2 吸附热效应
• 3.2.1 热效应产生机理
• 3.2.2 吸附热的计算
• 3.2.3 吸附热产生的影响
• 3.3 本章小结
• 第4章 二氧化碳吸附过程数值模拟及结果分析
• 4.1 吸附过程数学模型的建立
• 4.1.1 物理模型及基本假设
• 4.1.2 吸附过程数学模型
• 4.1.3 初值和边界条件
• 4.1.4 边界对流换热系数
• 4.2 吸附模型求解
• 4.2.1 方程的离散
• 4.2.2 方程的求解
• 4.3 吸附过程模拟结果及分析
• 4.3.1 吸附过程温度变化及吸附性能
• 4.3.2 入口温度对吸附性能的影响
• 4.3.3 充气压力对吸附性能的影响
• 4.4 本章小结
• 第5章 二氧化碳脱附过程数值模拟及结果分析
• 5.1 脱附过程数学模型的建立
• 5.1.1 物理模型及基本假设
• 5.1.2 脱附过程数学模型
• 5.1.3 初值和边界条件
• 5.1.4 边界对流换热系数
• 5.2 模型求解
• 5.2.1 方程离散
• 5.2.2 模型求解
• 5.3 模拟结果及分析
• 5.3.1 脱附过程温度变化及脱附性能
• 5.3.2 脱附速率对温度场和脱附性能的影响
• 5.3.3 床层脱附压力对脱附性能的影响
• 5.4 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 附录
• 致谢