炭膜分离CO2/CH4的非平衡分子动力学模拟

论文摘要

天然气作为清洁能源和优质的化工原料,对国民经济的发展和环境的保护都发挥着越来越重要的作用。但天然气常含有二氧化碳,不但影响天然气热值还腐蚀运输管道,需要分离和提纯后才能应用。现有的分离技术中,膜尤其是炭膜分离技术较占优势。但天然气炭膜分离的研究大多处于实验室阶段,离工业应用还有一定距离。所以研究天然气炭膜分离机理,并推动工业化进程成为现今研究的重点。本文针对目前阻碍炭膜气体分离工业应用的主要原因之一—炭膜气体分离机理理论研究不完善问题,采用DCV-GCMD分子模拟方法在修正的单孔狭缝模型基础上开展了炭膜气体分离机理方面的研究工作,运用FORTRAN语言编程模拟研究CO2／CH4二元混合气体在炭膜分离中的稳态非平衡渗透特性,探讨气体分离机理。首先针对单孔狭缝模型无法模拟气体主流体相到膜表面的传递过程做了修正,增加了过渡区B层,以便更好地模拟炭膜出入口处流体浓度变化及其对传递过程的影响。研究结果表明：随着温度升高,CH4通量增大,但C02／CH4分离系数降低,且压力增大时温度对CO2／CH4分离系数影响降低；随着跨膜压差的增大,气体扩散推动力增大,CO2和CH4通量均升高,但其分离性能降低；随着CH4摩尔组成分数增大分离系数为下降趋势,且CH4摩尔组成分数为0.7-0.9时炭膜对CO2／CH4混合气几乎没有分离作用。其次,在传统单孔狭缝模型上,初步探讨了孔径分布对炭膜气体分离过程的影响。研究结果表明,膜的孔径密集度参数s增大CO2和CH4通量均增大,二者分离系数降低。这是因为s增大,大孔出现的概率增大,气体通量增加,分离效果降低；与实验值进行比较后得出0.3为本研究体系的最佳s值；考虑孔径分布后的模型与传统单孔狭缝模型相较更接近实际膜分离过程。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 引言
• 1 文献综述
• 1.1 天然气介绍
• 1.1.1 天然气的种类
• 1.1.2 天然气的特点
• 1.1.3 天然气应用
• 1.2 气体膜分离技术
• 1.2.1 气体膜分离技术的发展史
• 1.2.2 气体膜分离技术的应用
• 1.2.3 气体膜分离膜材料
• 1.3 炭膜气体分离研究
• 1.3.1 炭膜发展概况
• 1.3.2 炭膜分类
• 1.3.3 炭膜的优缺点
• 1.4 炭膜气体分离机理
• 1.5 分子模拟方法介绍
• 1.6 本论文的研究内容和意义
• 2 分子动力学模拟研究基础
• 2.1 分子模拟技术分类
• 2.2 分子动力学模拟的系综
• 2.3 模拟中的基本概念
• 2.3.1 粒子间作用势
• 2.3.2 力的计算
• 2.3.3 运动方程积分
• 2.3.4 边界条件
• 2.3.5 最小映像原则
• 2.4 分子动力学模拟细节
• 2.4.1 粒子的初始位置和速度
• 2.4.2 模拟参数的无因次化
• 2.4.3 模拟系统恒温调节
• 2.4.4 时间步长的选择
• 2.4.5 分子移动操作
• 2.4.6 抽样统计
• 3 修正单孔狭缝模型及应用
• 3.1 模拟方法
• 3.1.1 修正单孔狭缝模型
• 3.1.2 模拟单元
• 3.1.3 通量和分离系数计算
• 3.1.4 L-J参数选择
• 3.2 结果与讨论
• 3.2.1 模型验证
• 3.2.2 X方向势能变化
• 3.2.3 系统温度对分离过程影响
• 3.2.4 跨膜压差对分离影响
• 3.2.5 气体组成对分离影响
• 3.3 本章小结
• 4 孔径密集度参数对分离影响的初步探讨
• 4.1 模拟方法
• 4.1.1 孔模型
• 4.1.2 模拟单元
• 4.1.3 孔分布函数和通量计算公式
• 4.1.4 L-J参数选择
• 4.1.5 孔径选择
• 4.2 结果与讨论
• 4.2.1 相同孔径下的孔径分布情况
• 4.2.2 不同温度下s值对通量的影响
• 4.2.3 不同压力下s对分离系数影响
• 4.2.4 不同s下通量随温度变化
• 4.3 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表学术论文情况
• 致谢