项目名称: 氢气纯化变压吸附热效应研究

项目编号: No.51476120

项目类型: 面上项目

立项/批准年度: 2015

项目学科: 能源与动力工程

项目作者: 肖金生

作者单位: 武汉理工大学

项目金额: 83万元

中文摘要: 氢气的纯化与其制备、储存、运输及使用等环节密切相关,对于氢能利用系统的安全、高效、可靠、耐久运行具有非常重要的意义。吸附过程放热和解附过程吸热现象引起的热效应,对氢气储存系统中的充气-放气(吸附-解附)循环和氢气纯化系统中的变压吸附(PSA)循环的性能都具有重要的影响。 本项目从氢气纯化PSA热效应的工程背景中提炼出多组分气体在微/纳孔吸附剂中的吸附热力学与动力学以及多孔介质流体流动与传热传质的科学问题。基于吸附剂微结构和势函数理论等方法,建立多组分气体在多种吸附剂中的吸附等温线模型与等量吸附热模型并进行实验验证和通用化处理。 采用经过穿透曲线实验验证和改进的多组分气体流动与传热传质及其吸附动力学模型,探索氢气混合气在PSA循环中的热效应机理及其控制措施。研究在不同氢气混合气组成、吸附床材料和结构以及PSA运行参数下的热效应对氢气纯化性能的影响,提出氢气纯化PSA系统的优化设计准则。

中文关键词: 多孔介质;传热传质;变压吸附;热效应;氢气纯化

英文摘要: Purification of hydrogen is closely related to its production, storage, transport and utilization, which is of important significances for safe, efficient, reliable and durable operation of hydrogen energy utilization systems. The thermal effects caused by exothermic and endothermic phenomena in adsorption and desorption processes have significant impacts on performances of charge-discharge (adsorption-desorption) cycle in hydrogen storage system and pressure swing adsorption (PSA) cycle in hydrogen purification system. This project extracts scientific issues such as the thermodynamics and kinetics of adsorption of multicomponent gases in micro/nano-porous adsorbents, and the fluid flow, heat and mass transfer in porous media from engineering background of thermal effects of pressure swing adsorption in hydrogen purification. `Based on microstructures of adsorbents and methods such as potential function theory, the adsorption isotherms model and the model of isosteric heat of adsorption will be developed and experimentally validated, and processed to a generalized form for multicomponent gases adsorption in multiple adsorbents. After being validated and improved by breakthrough curves experiments, the model of multi-component gas flow, heat and mass transfer and adsorption kinetics, is used to explore the mechanism and control measures of thermal effects of hydrogen mixtures in PSA cycle. Parametric study is made to investigate the influence of thermal effects on hydrogen purification performance under different hydrogen mixture composition, packed bed materials and structure, and PSA operating parameters, to propose guidelines for optimal design of PSA system for hydrogen purification.

英文关键词: porous media;heat and mass transfer;pressure swing adsorption;thermal effect;hydrogen purification

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