Ученые лаборатории сорбционных процессов ИФХЭ РАН провели теоретические и экспериментальные исследования адсорбционных и кинетических характеристик по метану на промышленном углеродном адсорбенте, перспективном для использования в технологии адсорбирования природного газа. Исследование проводилось на экспериментальных стендах собственной разработки с целью моделирования различных термодинамических режимов заправки-накопления-выдачи природного газа.
Адсорбционное аккумулирование метана – энергоэффективная, пожаро- и взрывобезопасная альтернатива его хранению в сжатом или сжиженном состоянии. Попав в поры, молекулы метана притягиваются к их стенкам за счет сил Ван-дер-Ваальса. Поверхность микропор обладает достаточной силой притяжения, чтобы молекулы метана находились в порах близко друг к другу. В порах адсорбированный метан уплотняется до плотности, близкой к плотности жидкости, находясь в состоянии нано-диспергированного сорбата. Таким образом, адсорбционное аккумулирование позволяет запасать относительно большое количество газа, не используя компрессоры высокого давления и не охлаждая газ до криогенных температур. Такие аккумуляторы газа перспективны для применения на автомобильном газовом транспорте, благодаря высокой емкости и безопасности (молекулы метана, находящиеся в порах, изолированы от кислорода и не образуют вместе с ним взрывоопасную смесь).
Во время заправки и выдачи газа из накопителей температура адсорбента существенно меняется, так как при адсорбции происходит выделение теплоты и адсорбент нагревается, а при десорбции – теплота поглощается, а температура адсорбента снижается. Самонагревание при заправке снижает адсорбционную емкость системы хранения. Поэтому при разработке систем адсорбированного природного газа необходимо не только подобрать адсорбент с высокой адсорбционной емкостью по метану при изменении температуры, но и разобраться, как будут меняться динамические характеристики системы при переменных температуре и давлении.
Для того, чтобы понять, как будет вести себя АПГ система, ученые провели измерения адсорбционно-кинетических параметров адсорбции-десорбции в широком интервале температур от 143К до 333К при давлениях вплоть до 20 МПа, когда поры сорбента достигают своего предельного насыщения. Также методом молекулярной динамики была исследованы параметры сорбции молекул метана в модельных порах щелевидной формы, соответствующих основным размерам пор данного сорбента. Исследование подтвердило: узкие поры (<1.4 нм) плотно удерживают молекулы метана, обеспечивая высокую емкость системы, а более широкие (~2 нм) служат транспортными артериями и отвечают за динамические характеристики при заправке-выдаче газа.
Нужно учитывать, что для разных условий эксплуатации системы соотношение пор разного размера должно отличаться. Для автомобилей, работающих в плавном режиме с равномерным потреблением топлива нужны одни адсорбенты, а для работающих в рывковом, когда обороты двигателя резко меняются, – другие. Аналогичная ситуация складывается для различных климатических условий.
Ценность данной работы заключается не только в уникальных экспериментальных данных, но и в том, что на их основе были разработаны подходы для описания и прогнозирования адсорбции метана, которые позволяют при оптимизации режимов работы конкретных АПГ-аккумуляторов не проводить десятки натурных испытаний.
«Это очень важно с точки зрения практики, в частности, для проектирования энергоэффективных систем заправки АПГ, в том числе в различных климатических условиях. Мы можем выполнить компьютерный расчет и сразу экспериментировать с режимами, близкими к оптимальным. Это значительно ускоряет и удешевляет создание новых систем», - отметил руководитель проекта, кандидат химических наук Илья Меньщиков.
Рис.: Моментальные снимки систем при моделирования адсорбции метана в порах различной ширины. Источник: ИФХЭ РАН.
Работа выполнена при поддержке Российского Научного Фонда, грант No. 24–79–00135.
По материалам: Adsorption, Kinetics, and Diffusion of Methane on Nanoporous Activated Carbon for Adsorbed Natural Gas Storage Systems. Sergey Chugaev, Viktoria Gaidamavichute, Alexandr Grinchenko, Andrey Shkolin, Anatoly Pribylov,Elena Khozina, Igor Shelyakin, and Ilya Men’shchikov. Journal of Chemical & Engineering Data, https://doi.org/10.1021/acs.jced.5c00558
Источник: Минобрнауки России
