Моделирование циклических процессов сорбции–десорбции в системах адсорбционного аккумулирования природного газа на основе нанопористого углеродного адсорбента из торфа

封面

如何引用文章

全文:

开放存取 开放存取
受限制的访问 ##reader.subscriptionAccessGranted##
受限制的访问 订阅存取

详细

Внедрение метода хранения природного газа в адсорбированном состоянии (АПГ) для практического использования в топливных системах транспортных средств зависит от доступности адсорбента с нужными свойствами и выработки оптимальных режимов заправки / выдачи топлива, которые обеспечат максимальную эффективность и наибольший запас хода автомобиля на одной заправке топливом. В данной работе представлены результаты моделирования цикла заправки / выдачи газа для полноразмерных АПГ баллонов (адсорберов) объемом 65 и 150 л, заполненных углеродным адсорбентом, в условиях активного терморегулирования и без для различных скоростей заправки в диапазоне от 5 до 5000 л/мин. Расчеты проводились с помощью модели с сосредоточенными параметрами, с использованием результатов измерений адсорбции метана в промышленном углеродном адсорбенте из торфяного сырья PAC-3 в интервале температур от 213 до 393 К, а также адсорбционно-стимулированной деформации адсорбента и оценке сопутствующих тепловых эффектов. Как следует из данных рентгеновской дифракции и сканирующей электронной микроскопии, PAC-3 обладает неоднородными фазовым и химическим составами, что обусловлено структурными особенностями прекурсора (торфа) и условиями активации. Согласно данным низкотемпературной адсорбции азота, пористая структура адсорбента является преимущественно микропористой с небольшой долей мезопор. Дилатометрические измерения показали, что в процессе адсорбции метана линейные размеры гранул PAC-3 изменяются на 0.62%, а их объем – на 1.85%, что должно быть учтено при проектировании системы АПГ во избежание ее разрушения, а также для точных расчетов температурных флуктуаций, возникающих в процессе заправки / выдачи газа. В результате проведенного моделирования было показано, что при активном терморегулировании системы АПГ не происходит сильного нагрева адсорбента, а существенно увеличиваются как количество выдаваемого топлива, так и максимальный запас хода автомобиля на одной заправке. Терморегулирование АПГ системы наиболее эффективно при малых скоростях заправки (от 5 до 80 л/мин), высоких давлениях и больших объемах адсорбера.

全文:

受限制的访问

作者简介

И. Шелякин

ФГБУН Институт физической химии и электрохимии им. А.Н. Фрумкина РАН

编辑信件的主要联系方式.
Email: i.menshchikov@gmail.com
俄罗斯联邦, Москва

И. Меньщиков

ФГБУН Институт физической химии и электрохимии им. А.Н. Фрумкина РАН

Email: i.menshchikov@gmail.com
俄罗斯联邦, Москва

A. Школин

ФГБУН Институт физической химии и электрохимии им. А.Н. Фрумкина РАН

Email: i.menshchikov@gmail.com
俄罗斯联邦, Москва

С. Чугаев

ФГБУН Институт физической химии и электрохимии им. А.Н. Фрумкина РАН

Email: i.menshchikov@gmail.com
俄罗斯联邦, Москва

A. Гринченко

ФГБУН Институт физической химии и электрохимии им. А.Н. Фрумкина РАН

Email: i.menshchikov@gmail.com
俄罗斯联邦, Москва

A. Шапагин

ФГБУН Институт физической химии и электрохимии им. А.Н. Фрумкина РАН

Email: i.menshchikov@gmail.com
俄罗斯联邦, Москва

Е. Хозина

ФГБУН Институт физической химии и электрохимии им. А.Н. Фрумкина РАН

Email: i.menshchikov@gmail.com
俄罗斯联邦, Москва

А. Фомкин

ФГБУН Институт физической химии и электрохимии им. А.Н. Фрумкина РАН

Email: i.menshchikov@gmail.com
俄罗斯联邦, Москва

参考

  1. Sustainable Development Goals https://www.un.org/sustainabledevelopment/development-agenda/ Дата обращения: 15 июня 2024 г.
  2. Opening Remarks at Global Sustainable Transport Forum 2023. Department of Economic and Social Affairs. United Nations. https://www.un.org/en/desa-en/opening-remarks-global-sustainable-transport-forum-2023 Дата обращения: 3 сентября 2024 г.
  3. Marmiroli B., Venditti M., Dotelli G. et al. // Appl. Energy. 2020. V. 260. P. 114236. https://doi.org/10.1016/j.apenergy.2019.114236
  4. International Energy Agency. Data and statistics. https://www.iea.org/data-and-statistics/country¼CHINAREG&fuel¼CO2%20emissions&indicator¼CO2%20emissions%20by%20sector. Дата обращения: 3 августа 2024 г.
  5. Liu F., Mauzerall D.L., Zhao F. et al. // Int. J. Hydrogen Energy.2021. V. l. 46. P. 17982. https://doi.org/10.1016/j.ijhydene.2021.02.198
  6. Ogden J., Jaffe A.M., Scheitrum D. et al. // Energy Policy. 2018. V. 115. P. 317. https://doi.org/10.1016/j.enpol.2017.12.049
  7. Abdullah N.N., Anwar G. // IJELSS. 2021. V. 6. P. 479. https://doi.org/10.22161/ijels.61.64
  8. Аксютин О.Е., Ишков А.Г., Романов К.В., Тетеревлев Р.В. // Газовая промышленность. 2018. № 11. T. 777. URL: https://cyberleninka.ru/article/n/metano-vodorodnaya-energiya-dlya-nizkoemissionnogo-razvitiya
  9. Bolzonella D., Battista F., Cavinato C. et al. // Biohythane Production From Food Wastes. In: Biomass, Biofuels, Biochemicals, Biohydrogen (2-d Edition). Elsevier. 2019. P. 347-368. https://doi.org/10.1016/B978-0-444-64203-5.00013-7
  10. Hassan Q., Azzawi I.D.J., Sameen A.Z. et al. // Sustainability. 2023. V. 15. P. 11501. https://doi.org/10.3390/su151511501
  11. Li F., Mauzerall D.L., Zhao F. et al. // Int. J. Hydrogen Energy. 2021 V. 46. P. 17982. https://doi.org/10.1016/j.ijhydene.2021.02.198
  12. Chala G.T., Abd Aziz A.R., Hagos F.Y. // Energies. 2018. Vl. 11. P. 2934. https://doi.org/10.3390/en11112934
  13. Eswara A.K., Misr S.C., Ramesh U.S. // Proceeding of Annual Meeting of Society of Naval Architects & Marine Engineers Society of Naval Architects & Marine Engineers, Washington, USA. November 8. 2013. P. 1–23. https://doi.org/10.5957/SMC-2013-T22
  14. Цивадзе А.Ю., Аксютин О.Е., Ишков А.Г. и др. // Успехи хим., 2018. Т. 87. № 10. С. 950. https://doi.org/10.1070/RCR4807.
  15. Ohba T., Vallejos-Burgos F., Kaneko K. Fundamental Science of Gas Storage. In: Kaneko K., Rodríguez-Reinoso F. (eds) Nanoporous Materials for Gas Storage. Green Energy and Technology. Singapore: Springer. 2019. https://doi.org/10.1007/978-981-13-3504-4_3
  16. Wu Z., Wee V., Ma X. et al. // Adv. Sustainable Syst. 2021. V. 5. P. 2000200. https://doi.org/10.1002/adsu.202000200
  17. Shkolin A.V., Fomkin A.A., Men’shchikov I.E. et al. // Adsorption. 2019. V. 25. P. 1559. https://doi.org/10.1007/s10450-019-00135-0
  18. Prajwal B.P., Ayappa G.K. // Adsorption. 2014. V. 20. P. 769. https://doi.org/10.1007/s10450-014-9620-1
  19. Simon C.M., Kim J., Gomez-Gualdron D.A. et al. // Energy Environ. Sci.. 2015. V. 10. P. 1190. https://doi.org/10.1039/C4EE03515A
  20. Men'shchikov I.E., Shkolin A.V., Strizhenov E.M. et al. // Nanomaterials. 2020. V. 10. 2243. https://doi.org/10.3390/nano10112243
  21. Prosniewski M., Rash T., Romanos. J. et al. // Fuel. 2019. V. 244. P. 447. https://doi.org/10.1016/j.fuel.2019.02.022
  22. Chang K. J. and Talu O. // Appl. Therm. Eng. 1996. Vl. 16. P. 359. https://doi.org/10.1016/1359-4311(95)00017-8
  23. Mota J.P.B., Saatdjian E., Tondeur D. et al. // Adsorption. 1995. V. 1. P. 17. https://doi.org/10.1007/BF00704143
  24. Vasiliev L.L., Kanonchik L.E., Tsitovich A.P. // Int. J. Therm. Sci.. 2017. V. 120. P. 252. https://doi.org/10.1016/j.ijthermalsci.2017.06.005
  25. Feroldi M., Neves A.C., Borba C.E. et al. // J. Clean. Prod. 2018. V. 172. P. 921. https://doi.org/10.1016/j.jclepro.2017.10.247
  26. Patil K.H., Sahoo S. // J. Nat. Gas Sci. Eng. 2018 V. 52. P. 267. https://doi.org/10.1016/j.jngse.2018.01.008
  27. Strizhenov E.M., Chugaev. S.S., Men’shchikov I.E. et al. // Nanomaterials. 2021. V. 11. 3274. https://doi.org/10.3390/nano11123274
  28. Mirzaei S., Shahsavand A., Ahmadpour A. et al. // Appl. Therm. Eng. 2022. V. 206. P. 118067. https://doi.org/10.1016/j.applthermaleng.2022.118067
  29. Strizhenov E.M., Chugaev S.S., Shelyakin I.D. et al. // Heat Mass Transf. 2022. https://doi.org/10.1007/s00231-022-03272-5
  30. Nie Z., Lin Y., Jin X. // Front. Mech. Eng. 2016. V. 11. P. 258. https://doi.org/10.1007/s11465-016-0381-2
  31. Bergna D., Hu T., Prokkola H. et al. // Waste & Biomass Valor. 2020 . V. 11. P. 2837. https://doi.org/10.1007/s12649-019-00584-2
  32. Aziz Md.A., Shah S.S., Abu Nayem S.M. et al. // J. Energy Storage. 2022. V. 50. P. 104278. https://doi.org/10.1016/j.est.2022.104278
  33. Men’shchikov I.E., Shkolin A.V., Khozina E.V. et al. // Nanomaterials. 2020. V. 10. P. 1379. https://doi.org/10.3390/nano10071379
  34. Мухин В.М., Тарасов А.В., Клушин В.Н. Активные угли России. М.: Металлургия, 2000. 352 с.
  35. Bell I.H., Wronski J., Quoilin S., et al. // Ind. Eng. Chem. Res.. 2014. V. 53. P. 2498.
  36. https://doi.org/10.1021/ie4033999 https://webbook.nist.gov/cgi/cbook.cgi?ID=C74828&Units=SI&Mask=4#Thermo-Phase. Дата обращения: 12 сентября 2022 г.
  37. Дубинин М.М., Радушкевич Л.В. // Доклады Академии Наук СССР. 1947. Т. LV. № 4. С. 331.
  38. Dubinin M.M. // Progr. Surf. Membr. Sci. 1975. V. 9. P. 1. https://doi.org/10.1016/B978-0-12-571809-7.50006-1
  39. Brunauer S., Emmett P.H., Teller E. // J. Am. Chem. Soc. 1938. V. 60. P. 309. https://doi.org/10.1021/ja01269a023
  40. Rouquerol J., Llewellyn P., Rouquerol F. // Stud. Surf. Sci. Catal. 2007. V. 160. P. 49. https://doi.org/10.1016/S0167-2991(07)80008-5
  41. Gregg S.J., Sing K.S.W. Adsorption, surface area, and porosity. London: Academic press (Inc), 1982, 303 p.
  42. Olivier J.P., Conklin W.B., Szombathely M.V. // Stud. Surf. Sci. Cat. 1994. V. 87. P. 81. https://doi.org/10.1016/S0167-2991(08)63067-0.
  43. ISO 787-11:1981. General methods of test for pigments and extenders. Part 11: Determination of tamped volume and apparent density after tamping.
  44. Школин А.В., Фомкин А.А. // Измер. Техника. 2018. Т. 61. С. 395. https://doi.org/10.1007/s11018-018-1440-3
  45. Школин А.В., Фомкин А.А., Меньщиков И.Е. и др. / Патент № 2732199 // Б.И. № 26, 2020.
  46. ГОСТ 34100.3-2017/ISO/IEC Guide 98-3:2008. Часть 3. Неопределенность измерения. Руководство по выражению неопределенности измерения. https://files.stroyinf.ru/Data/651/65118.pdf. Дата обращения: 18 июня 2020 г.
  47. Solovtsova O.V., Men’shchikov I.E., Shkolin A.V. et al. // Adsorpt. Sci. Techn. 2022. V. 2022. Article ID 4855466. https://doi.org/10.1155/2022/4855466
  48. Men’shchikov I.E., Shkolin A.V., Khozina E.V. et al. // Adsorption. 2023. V. 29. P. 255. https://doi.org/10.1007/s10450-023-00411-0
  49. Дубинин М.М., Астахов В.А. // Изв. АН. СССР. 1971. Т. 20. С. 5.
  50. Shkolin A.V., Men'shchikov I.E., Fomkin A.A. // Российские нанотехнологии. 2022. Т. 17. С. 858. https://doi.org/10.1134/S2635167622040231
  51. Школин А.В., Фомкин А.А., Меньщиков И.Е. и др. / Патент № 2766188 / Б.И. 4. 2022.
  52. Shkolin A.V., Men’shchikov I.E., Khozina E.V. et al. // Adsorption. 2023. V. 29. P. 237. https://doi.org/10.1007/s10450-022-00370-y
  53. Бакаев В.А. / Дис. ... д-ра хим. наук: 01.06.1989. М.: МГУ.
  54. Myers A.L. //AIChE Journal. 2002. V. 48. P. 145. https://doi.org/10.1002/aic.690480115
  55. Кутателадзе С.С., Боришанский В.М. Справочник по теплопередаче. / Л: Госэнергоиздат, 1959. С.414.
  56. Wiśniewska M., Nowicki P. // Colloid. Surf. A: Physicochem. Eng. Asp. 2020. V. 585. P. 124179. https://doi.org/10.1016/j.colsurfa.2019.124179
  57. Sutcu H. // Korean J. Chem. Eng. 2007. V. 24. P. 736. https://doi.org/10.1007/s11814-007-0035-5
  58. Uraki Y., Tamai Y., Ogawa M. // BioResources. 2009. V. 4. P. 205. https://doi.org/10.15376/biores.4.1.205-213
  59. Shiryaev A.A., Voloshchuk A.M., Volkov V.V. et al. // J. Phys. Conf. Ser. 2017. V. 848. P. 012009. https://doi.org/10.1088/1742-6596/848/1/012009
  60. Men’shchikov I., Shiryaev A., Shkolin A. et al. // Korean J. Chem. Eng. 2021 V. 38. P. 276. https://doi.org/10.1007/s11814-020-0683-2
  61. Shiryaev A.A., Pré P., Pardanaud C. et al. // Adsorption. 2023. V. 29. P. 275. https://doi.org/10.1007/s10450-023-00406-x
  62. Thommes M., Kaneko K., Neimark A.V. et al. // Pure Appl. Chem. 2015. V. 87. P. 1051. https://doi.org/10.1515/pac-2014-1117
  63. Меньщиков И.Е., Фомкин А.А., Школин А.В. и др. // Изв. АН. Сер. Хим. 2018. Т. 67. № 10. С. 1814. https://doi.org/10.1007/s11172-018-2294-1
  64. Школин А.В., Фомкин А.А., Цивадзе А.Ю. и др. // Физикохимия поверхности и защита материалов. 2016. Т. 52. № 6. С. 563.
  65. Policicchio A., Filosa R., Abate S. et al. // J. Porous. Mater. 2017. V. 24. P. 905. https://doi.org/10.1007/s10934-016-0330-9
  66. Shkolin A.V., Men’shchikov I.E., Khozina E.V. et al. // J. Chem. Eng. Data. 2022 V. 67. P. 1699. https://doi.org/10.1021/acs.jced.1c00904
  67. Casco E.M., Martínez-Escandell M., Gadea-Ramos E. // Chem. Mater. 2015. V. 27. P. 959. https://doi.org/10.1021/cm5042524
  68. Школин А.В., Фомкин А.А., Меньщиков И.Е. // Физикохимия поверхности и защита материалов. 2024. Т. 60. С. 18. https://doi.org/10.1134/S2070205124701417
  69. Folman M., Yates D.J.C. // Trans. Faraday Soc. 1958. V. 54. P. 429. https://doi.org/10.1039/TF9585400429
  70. Men’shchikov I.E., Shkolin A.V., Fomkin A.A. et al. // Adsorption. 2021. V. 27. P. 1095. https://doi.org/10.1007/s10450-021-00338-4
  71. Yakovlev V.Yu., Fomkin A.A., Tvardovski A.V. // J. Coll. Inter. Sci. 2003. V. 268. P. 33. https://doi.org/10.1016/S0021-9797(03)00696-9
  72. Shkolin A., Men’shchikov I., Khozina E. et al. // Colloids and Interfaces. 2023. V. 7. P. 46. https://doi.org/10.3390/colloids7020046
  73. Kim K.H., Kim M.H. // Sustainability. 2023. V. 15. P. 11574. https://doi.org/10.3390/su151511574
  74. Men’shchikov I., Shkolin A., Khozina E. et al. // Nanomaterials. 2021. V. 11. 971. https://doi.org/10.3390/nano11040971
  75. Пулин А.Л., Фомкин А.А., Синицын В.А. и др. // Изв. АН. Сер. Хим.. 2001. № 1. С.57. https://doi.org/10.1023/A:1009568916792
  76. Khamforoush M., Moosavi R., Hatami T. // J. Nat. Gas Sci. Eng. 2014. V. 20. P. 121. https://doi.org/10.1016/j.jngse.2014.06.009

补充文件

附件文件
动作
1. JATS XML
下载
2. Fig. 1. Schematic representation of the APG system without temperature control (left) and with temperature control (right): (1) adsorbent cylinder (adsorber), (2) valve, (3) temperature control unit (TCU), (4) tubes with circulating coolant, (5) external heat exchanger.

下载 (109KB)
索引源数据
3. Fig. 2. SEM images of the surface of the PAC-3 sample obtained from peat at different magnifications, scale bars: 100 µm (a), 50 µm (b), 5 µm (c) and 1 µm (d).

下载 (963KB)
索引源数据
4. Fig. 3. X-ray diffraction pattern on the PAC-3 adsorbent. The vertical dotted lines indicate the reflections (002), (100), (101) and (11) characteristic of graphite.

下载 (79KB)
索引源数据
5. Fig. 4. Adsorption isotherms of nitrogen vapor at 77 K in the pores of the PAC-3 adsorbent (a) in linear and semi-logarithmic coordinates (insert) and the calculated pore size distribution function (b) obtained by the NLDFT method for the model of mixed slit-shaped and cylindrical pores.

下载 (246KB)
索引源数据
6. Fig. 5. Dependence of methane adsorption on the microporous carbon adsorbent PAC-3 on pressure in semilogarithmic coordinates at different temperatures (a). Experimental isosteres of methane adsorption on PAC-3 (b) at methane adsorption values, mmol g–1: 0.5 (1); 1 (2); 2 (3), 3 (4), 4 (5), 5 (6), 6 (7), 7 (8). Symbols are experimental data, dotted lines are linear approximation.

下载 (400KB)
索引源数据
7. Fig. 6. Dependence of the total specific volumetric capacity VF of the APG adsorber loaded with PAC-3 (solid lines) and the capacity of the CNG cylinder of the same volume (dashed lines) at different temperatures.

下载 (238KB)
索引源数据
8. Fig. 7. Experimental ASD data for PAC-3 depending on the methane adsorption value at different temperatures. The symbols indicate the experimental data, and the solid lines indicate the results of the spline approximation. The dotted line corresponds to zero deformation of the adsorbent.

下载 (201KB)
索引源数据
9. Fig. 8. (a) Differential molar isosteric heat of methane adsorption in PAC-3 calculated by Eq. (9) (solid lines) and by Eq. (10) for Z ≠ 1 (dashed lines) and Z = 1 (black dashed line), depending on the methane adsorption value for different temperatures. (b) Differential molar isosteric entropy of the PAC-3-methane adsorption system depending on the methane adsorption value for different temperatures.

下载 (252KB)
索引源数据
10. Fig. 9. Temperature dependence of the differential molar isosteric heat capacity of the methane-PAC-3 adsorption system (solid lines) and the isochoric heat capacity of methane (dashed lines) for different methane adsorption values.

下载 (232KB)
索引源数据
11. Fig. 10. The difference between the adsorbent temperatures achieved at the end of filling an adsorber with a volume of 65 (a) and 150 l (b), calculated according to Eqs. 9 and 10, depending on the filling pressure for conditions of natural convection (solid lines) and forced thermoregulation (dashed lines) at different gas flow rates.

下载 (368KB)
索引源数据
12. Fig. 11. Change in filling pressure over time in the APG system with a volume of 65 l (a) and 150 l (b) during filling with different gas supply rates under conditions of natural convection (solid lines) and forced thermoregulation (dashed lines).

下载 (314KB)
索引源数据
13. Fig. 12. Change in time of the average temperature of the adsorbent during the process of filling the adsorber with a volume of 65 l (a) and 150 l (b) for different gas flow rates under conditions of natural convection (solid lines) and forced thermoregulation (dashed lines). The gray dotted lines indicate the states of the system at a constant pressure value.

下载 (334KB)
索引源数据
14. Fig. 13. The difference between the average temperatures of the adsorbent, ΔTfin, achieved in an adsorber with a volume of 65 l (a) and 150 l (b) when filling to a pressure of 19.6 and 6.5 MPa with natural convection and under forced thermoregulation conditions, depending on the duration of filling (filling rate). The gray dotted lines indicate the boundaries of the region of greatest efficiency of thermoregulation.

下载 (294KB)
索引源数据
15. Fig. 14. Dynamics of change over time of the average temperature of the adsorbent (a) and pressure (b) in the APG adsorber with a volume of 65 (solid lines) and 150 l (dashed lines) during the stabilization (downtime) process that occurs after filling to a pressure of 3.5, 6.5 and 10 MPa.

下载 (228KB)
索引源数据
16. Fig. 15. (a) Volume of gas supplied (left axle) and corresponding vehicle mileage (right axle) depending on duration of stabilization of thermodynamic parameters (idle time) of 65 l and 150 l adsorber (lines) and CNG cylinder of the same volume (circles) after filling to pressure of 3.5, 6.5 and 10 MPa under conditions of natural convection (solid lines) and forced thermoregulation (dashed lines). (b) Increase in amount of gas supplied from 65 l (solid lines) and 150 l (dashed lines) adsorber due to use of forced thermoregulation depending on duration of stabilization after filling to pressure of 3.5, 6.5 and 10 MPa.

下载 (246KB)
索引源数据

版权所有 © Russian Academy of Sciences, 2025