Химики представили новую технологию адсорбирования природного газа

Сотрудники лаборатории сорбционных процессов Института физической химии и электрохимии им. А.Н.Фрумкина Российской академии наук 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 счёт 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 ёмкости 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 ёмкость системы хранения. Поэтому при разработке систем адсорбированного природного газа необходимо не только подобрать адсорбент с высокой адсорбционной ёмкостью по метану при изменении температуры, но и разобраться, как будут меняться динамические характеристики системы при переменных температуре и давлении.

Моментальные снимки систем при моделирования адсорбции метана в порах различной ширины

Для того, чтобы понять, как будет вести себя АПГ система, ученые провели измерения адсорбционно-кинетических параметров адсорбции-десорбции в широком интервале температур от 143 К до 333 К 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 ёмкость 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.

Работа выполнена при поддержке Российского Научного Фонда, грант No. 24–79–00135. Результаты опубликованы в Journal of Chemical & Engineering Data.

Новости Российской академии наук в Telegram →