Моделирование циклических процессов сорбции–десорбции в системах адсорбционного аккумулирования природного газа на основе нанопористого углеродного адсорбента из торфа
- Авторы: Шелякин И.Д.1, Меньщиков И.Е.1, Школин А.В.1, Чугаев С.С.1, Гринченко А.Е.1, Шапагин А.В.1, Хозина Е.В.1, Фомкин А.А.1
-
Учреждения:
- ФГБУН Институт физической химии и электрохимии им. А.Н. Фрумкина РАН
- Выпуск: Том 61, № 1 (2025)
- Страницы: 18-41
- Раздел: ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ НА МЕЖФАЗНЫХ ГРАНИЦАХ
- URL: https://journal-vniispk.ru/0044-1856/article/view/294753
- DOI: https://doi.org/10.31857/S0044185625010033
- EDN: https://elibrary.ru/LEAASF
- ID: 294753
Цитировать
Аннотация
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.
Полный текст

Об авторах
И. Д. Шелякин
ФГБУН Институт физической химии и электрохимии им. А.Н. Фрумкина РАН
Автор, ответственный за переписку.
Email: i.menshchikov@gmail.com
Россия, Москва
И. Е. Меньщиков
ФГБУН Институт физической химии и электрохимии им. А.Н. Фрумкина РАН
Email: i.menshchikov@gmail.com
Россия, Москва
А. В. Школин
ФГБУН Институт физической химии и электрохимии им. А.Н. Фрумкина РАН
Email: i.menshchikov@gmail.com
Россия, Москва
С. С. Чугаев
ФГБУН Институт физической химии и электрохимии им. А.Н. Фрумкина РАН
Email: i.menshchikov@gmail.com
Россия, Москва
А. Е. Гринченко
ФГБУН Институт физической химии и электрохимии им. А.Н. Фрумкина РАН
Email: i.menshchikov@gmail.com
Россия, Москва
А. В. Шапагин
ФГБУН Институт физической химии и электрохимии им. А.Н. Фрумкина РАН
Email: i.menshchikov@gmail.com
Россия, Москва
Е. В. Хозина
ФГБУН Институт физической химии и электрохимии им. А.Н. Фрумкина РАН
Email: i.menshchikov@gmail.com
Россия, Москва
А. А. Фомкин
ФГБУН Институт физической химии и электрохимии им. А.Н. Фрумкина РАН
Email: i.menshchikov@gmail.com
Россия, Москва
Список литературы
- Sustainable Development Goals https://www.un.org/sustainabledevelopment/development-agenda/ Дата обращения: 15 июня 2024 г.
- 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.
- Marmiroli B., Venditti M., Dotelli G. et al. // Appl. Energy. 2020. V. 260. P. 114236. https://doi.org/10.1016/j.apenergy.2019.114236
- 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.
- 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
- 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
- Abdullah N.N., Anwar G. // IJELSS. 2021. V. 6. P. 479. https://doi.org/10.22161/ijels.61.64
- 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
- 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
- Hassan Q., Azzawi I.D.J., Sameen A.Z. et al. // Sustainability. 2023. V. 15. P. 11501. https://doi.org/10.3390/su151511501
- 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
- Chala G.T., Abd Aziz A.R., Hagos F.Y. // Energies. 2018. Vl. 11. P. 2934. https://doi.org/10.3390/en11112934
- 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
- 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.
- 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
- Wu Z., Wee V., Ma X. et al. // Adv. Sustainable Syst. 2021. V. 5. P. 2000200. https://doi.org/10.1002/adsu.202000200
- 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
- Prajwal B.P., Ayappa G.K. // Adsorption. 2014. V. 20. P. 769. https://doi.org/10.1007/s10450-014-9620-1
- 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
- Men'shchikov I.E., Shkolin A.V., Strizhenov E.M. et al. // Nanomaterials. 2020. V. 10. 2243. https://doi.org/10.3390/nano10112243
- Prosniewski M., Rash T., Romanos. J. et al. // Fuel. 2019. V. 244. P. 447. https://doi.org/10.1016/j.fuel.2019.02.022
- Chang K. J. and Talu O. // Appl. Therm. Eng. 1996. Vl. 16. P. 359. https://doi.org/10.1016/1359-4311(95)00017-8
- Mota J.P.B., Saatdjian E., Tondeur D. et al. // Adsorption. 1995. V. 1. P. 17. https://doi.org/10.1007/BF00704143
- 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
- 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
- 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
- Strizhenov E.M., Chugaev. S.S., Men’shchikov I.E. et al. // Nanomaterials. 2021. V. 11. 3274. https://doi.org/10.3390/nano11123274
- 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
- Strizhenov E.M., Chugaev S.S., Shelyakin I.D. et al. // Heat Mass Transf. 2022. https://doi.org/10.1007/s00231-022-03272-5
- Nie Z., Lin Y., Jin X. // Front. Mech. Eng. 2016. V. 11. P. 258. https://doi.org/10.1007/s11465-016-0381-2
- 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
- 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
- Men’shchikov I.E., Shkolin A.V., Khozina E.V. et al. // Nanomaterials. 2020. V. 10. P. 1379. https://doi.org/10.3390/nano10071379
- Мухин В.М., Тарасов А.В., Клушин В.Н. Активные угли России. М.: Металлургия, 2000. 352 с.
- Bell I.H., Wronski J., Quoilin S., et al. // Ind. Eng. Chem. Res.. 2014. V. 53. P. 2498.
- 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.
- Дубинин М.М., Радушкевич Л.В. // Доклады Академии Наук СССР. 1947. Т. LV. № 4. С. 331.
- Dubinin M.M. // Progr. Surf. Membr. Sci. 1975. V. 9. P. 1. https://doi.org/10.1016/B978-0-12-571809-7.50006-1
- Brunauer S., Emmett P.H., Teller E. // J. Am. Chem. Soc. 1938. V. 60. P. 309. https://doi.org/10.1021/ja01269a023
- 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
- Gregg S.J., Sing K.S.W. Adsorption, surface area, and porosity. London: Academic press (Inc), 1982, 303 p.
- 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.
- ISO 787-11:1981. General methods of test for pigments and extenders. Part 11: Determination of tamped volume and apparent density after tamping.
- Школин А.В., Фомкин А.А. // Измер. Техника. 2018. Т. 61. С. 395. https://doi.org/10.1007/s11018-018-1440-3
- Школин А.В., Фомкин А.А., Меньщиков И.Е. и др. / Патент № 2732199 // Б.И. № 26, 2020.
- 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.
- 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
- 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
- Дубинин М.М., Астахов В.А. // Изв. АН. СССР. 1971. Т. 20. С. 5.
- Shkolin A.V., Men'shchikov I.E., Fomkin A.A. // Российские нанотехнологии. 2022. Т. 17. С. 858. https://doi.org/10.1134/S2635167622040231
- Школин А.В., Фомкин А.А., Меньщиков И.Е. и др. / Патент № 2766188 / Б.И. 4. 2022.
- 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
- Бакаев В.А. / Дис. ... д-ра хим. наук: 01.06.1989. М.: МГУ.
- Myers A.L. //AIChE Journal. 2002. V. 48. P. 145. https://doi.org/10.1002/aic.690480115
- Кутателадзе С.С., Боришанский В.М. Справочник по теплопередаче. / Л: Госэнергоиздат, 1959. С.414.
- Wiśniewska M., Nowicki P. // Colloid. Surf. A: Physicochem. Eng. Asp. 2020. V. 585. P. 124179. https://doi.org/10.1016/j.colsurfa.2019.124179
- Sutcu H. // Korean J. Chem. Eng. 2007. V. 24. P. 736. https://doi.org/10.1007/s11814-007-0035-5
- Uraki Y., Tamai Y., Ogawa M. // BioResources. 2009. V. 4. P. 205. https://doi.org/10.15376/biores.4.1.205-213
- 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
- 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
- Shiryaev A.A., Pré P., Pardanaud C. et al. // Adsorption. 2023. V. 29. P. 275. https://doi.org/10.1007/s10450-023-00406-x
- 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
- 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
- Школин А.В., Фомкин А.А., Цивадзе А.Ю. и др. // Физикохимия поверхности и защита материалов. 2016. Т. 52. № 6. С. 563.
- 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
- 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
- Casco E.M., Martínez-Escandell M., Gadea-Ramos E. // Chem. Mater. 2015. V. 27. P. 959. https://doi.org/10.1021/cm5042524
- 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
- Folman M., Yates D.J.C. // Trans. Faraday Soc. 1958. V. 54. P. 429. https://doi.org/10.1039/TF9585400429
- 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
- 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
- Shkolin A., Men’shchikov I., Khozina E. et al. // Colloids and Interfaces. 2023. V. 7. P. 46. https://doi.org/10.3390/colloids7020046
- Kim K.H., Kim M.H. // Sustainability. 2023. V. 15. P. 11574. https://doi.org/10.3390/su151511574
- Men’shchikov I., Shkolin A., Khozina E. et al. // Nanomaterials. 2021. V. 11. 971. https://doi.org/10.3390/nano11040971
- 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
- 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
Дополнительные файлы
