Компьютерное моделирование адсорбции и диффузии флюидов в углеродных и силикатных пористых материалах

• Автор: Сизова, Анастасия Андреевна
• Шифр специальности: 02.00.04
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2015
• Место защиты: Санкт-Петербург
• Количество страниц: 174 с. : ил.

ОГЛАВЛЕНИЕ
ВВЕДЕНИЕ
1. ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ
1.1. Адсорбция чистых газов
1.2. Адсорбция смесей газов
1.3. Адсорбция воды в углеродных адсорбентах
1.4. Адсорбция воды в силикатных адсорбентах
1.5. Диффузия газов и воды в адсорбентах
1.6. Экспериментальное изучение адсорбции газов в присутствии воды
1.7. Моделирование адсорбции газов в присутствии воды
2. МЕТОДИКА МОДЕЛИРОВАНИЯ
2.1. Основы метода Монте-Карло
2.2. Метод Монте-Карло в каноническом ансамбле
2.3. Метод Монте-Карло в большом каноническом и «гибридном» ансамблях
2.4. Метод молекулярной динамики в каноническом ансамбле
2.5. Потенциалы взаимодействия
2.6. Молекулярные модели адсорбентов
2.7. Молекулярные модели флюидов
2.8. Детали моделирования
2.9. Обработка результатов моделирования
3. АДСОРБЦИЯ ГАЗОВ В ЩЕЛЕВИДНЫХ АДСОРБЕНТАХ
3.1. Адсорбция в углеродных порах. Зависимость от влажности
3.2. Адсорбция в углеродных порах. Зависимость от давления
3.3. Адсорбция в силикатных порах
4. АДСОРБЦИЯ В ТЕМПЛАТНЫХ МЕЗОПОРИСТЫХ МАТЕРИАЛАХ
4.1. Адсорбция воды в силикатных пористых материалах МСМ-41 и

4.2. Адсорбция газов в силикатных пористых материалах МСМ-41 и

4.3. Адсорбция газов в углеродном пористом материале СМК-
5. МОЛЕКУЛЯРНАЯ ПОДВИЖНОСТЬ В АДСОРБИРОВАННОЙ ФАЗЕ
5.1. Диффузия адсорбата в щелевидных углеродных порах
5.2. Диффузия воды в силикатных материалах МСМ-41 и 8ВА-
5.3. Диффузия адсорбата в мезопористых материалах БВА-15 и СМК-5
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

ВВЕДЕНИЕ
Конкурентная адсорбция газовых смесей в различных пористых материалах является основой многих промышленных и природных процессов. В качестве распространенных примеров практического использования адсорбционных технологий можно привести некриогенное разделение воздуха, очистку сточных вод и питьевой воды, разделение смесей продуктов органического синтеза, очистку водно-спиртовых растворов в пищевой промышленности. Развитие и оптимизация этих технологий невозможны без понимания физико-химических особенностей протекающих процессов, потому важно не только описание наблюдаемых явлений, но и фундаментальные исследования, которые позволяли бы объяснять и предсказывать их с высокой степенью точности.
Для целей настоящей работы наибольший интерес представляет использование адсорбционных технологий при решении следующих задач:
• улавливание СОг из продуктов сгорания органического топлива и других
техногенных источников [1] в рамках комплексного подхода известного как CCS (carbon capture and storage);
• очистка биогаза [2,3];
• очистка природного газа до коммерческого стандарта (<2.5% С02) и
дополнительная очистка природного газа перед сжижением (<50 ppm С02) [4];
• технология ЕСВМ (enhanced coal bed methane recovery), интенсифицированное
извлечение метана из угольных пластов, предполагающее добычу метана с одновременной закачкой в пласты углекислого газа [5] и последующей очисткой добытого метана.
Все перечисленные выше практические приложения адсорбционных технологий подразумевают разделение и очистку сложных газовых смесей, основными компонентами которых являются углекислый газ, метан и азот. Так, очистка биогаза и природного газа основываются на разделении смесей С02/СН4, содержащих не менее 50-60% метана. Топочный газ является многокомпонентой смесью, однако в качестве основных компонентов можно выделить азот и углекислый газ, причем доля последнего может достигать 15%. Наконец, условия реализации технологии ЕСВМ предполагают

114]. Снижение емкости происходит лишь до некоторого предела, после которого увеличение влажности перестает сказываться на количестве адсорбированного метана. Влияние воды сказывается тем сильнее, чем больше содержание в угле кислородсодержащих функциональных групп [112]. Для углекислого газа наблюдаются качественно те же зависимости, а различие во влиянии воды на адсорбцию С02 и СН4 заключается в величине, на которую снижается адсорбционная емкость по этим газам. Так, в присутствии воды в количестве ниже предельного при изменении влажности на 1% адсорбционные емкости по С02 и СН4 уменьшались на 7.3 кг/т и 1.8 кг/т, соответственно [112]. При адсорбции С02 на различных природных углях разница в емкостях сухих и влажных адсорбентов при давлении 7 МПа составила около 19, 17, 48, 76 и 79% в присутствии 0.65, 1.1, 9.2, 28 и 32.2% воды, соответственно [115]. Таким образом, уменьшение емкости адсорбента сопоставимо с увеличением количества преадсорбированной воды. Углеродные адсорбенты оказываются селективны к углекислому газу как в отсутствии, так и в присутствии воды. Предположительно, селективность адсорбента к углекислому газу снижается с увеличением влажности, однако отмечается, что эксперимент не дает достаточно надежных указаний на такой характер изменения селективности [116,117].
В целом, интерпретация экспериментально полученных результатов по адсорбции во влажных природных углях оказывается весьма непростой, поскольку ход адсорбции подвержен влиянию множества факторов, в том числе, таких, действие которых не позволяет рассматривать процесс только как физическую адсорбцию. В частности, при адсорбции газов в природных углях, особенно в присутствии воды, наблюдается значительное изменение структуры адсорбента [110,118-121]. Деформация пористого пространства углей в процессе адсорбции углекислого газа может увеличиваться от 5-10% при низкой влажности до 40% при высокой влажности [122].
Адсорбция углекислого газа и метана в активированном угле РШга5огЬ-400 при различных влажностях от 0.49 ммоль/г до 12.8 ммоль/г была подробно изучена в работах [123,124]. Присутствие в порах небольшого количества воды мало влияет на адсорбционную емкость: изотермы адсорбции метана во влажном адсорбенте практически совпадают с изотермой для сухого активированного угля. Дальнейшее увеличение влажности приводит к снижению адсорбционных емкостей, которое тем более существенно, чем выше давление газа. При низких давлениях различия в емкостях