Макрокинетика и математическое моделирование адсорбции воды на композитных адсорбентах тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 02.00.04, кандидат химических наук Громов, Антон Павлович

• Громов, Антон Павлович
• кандидат химических наук
• 2009

Оглавление диссертации кандидат химических наук Громов, Антон Павлович

Введение.

Список принятых обозначений.

Часть I. Литературный обзор.

1.1. Адсорбционно-десорбционные циклы для получения холода.

1.2. Рабочие пары адсорбции.

1.3. Селективные композитные сорбенты воды.

1.4. Макрокинетические особенности процесса адсорбции.

1.5. Влияние несорбируемого компонента.

1.6. Выводы.

Часть II. Макрокинетическая модель адсорбции воды на композитном адсорбенте, учитывающая взаимообусловленность совместного тепло- и массопереноса в зернах адсорбента и присутствие несорбируемого компонента в газовой фазе.

2.1. Предварительный анализ экспериментальных данных по динамике адсорбции воды на композитном адсорбенте.

2.2. Основные уравнения макрокинетической модели.

Часть III. Моделирование динамики адсорбции воды, инициированной возмущениями температуры адсорбента или давления пара, и определение макрокинетических параметров из экспериментальных данных.

3.1. Моделирование экспериментов, в которых адсорбция и десорбция инициировались быстрым изменением температуры подложки.

3.2. Моделирование экспериментов, в которых адсорбция инициировалась быстрым изменением давления водяного пара.

3.3. Моделирование экспериментов, в которых адсорбция инициировалась быстрым изменением температуры подложки и протекала в присутствии несорбируемого компонента.

3.4. Выводы.

Часть IV. Оптимизация адсорбционно-десорбционных холодильных циклов, использующих солнечную радиацию или низкопотенциальную теплоту для регенерации адсорбента.

4.1. Математическое моделирование адсорбционно-десорбционного холодильного цикла с использованием солнечной радиации на стадии десорбции.

4.2. Математическое моделирование адсорбционно-десорбционного холодильного цикла с использованием жидкого теплоносителя на стадии десорбции.

4.3. Выводы.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Макрокинетика и математическое моделирование адсорбции воды на композитных адсорбентах»

Актуальность темы. Разработка энергосберегающих технологий в условиях нестабильности рынка углеводородов и растущей неопределенности экологических прогнозов приобретает сегодня особое значение. В более узком смысле, говоря о создании энергосберегающих технологий, мы имеем в виду использование солнечной радиации или тепловых отходов с относительно невысокой температурой для получения холода с применением адсорбционно-десорбционных циклов [1]. Это позволит решить многие задачи, связанные с получением умеренного холода. Существенным преимуществом такого направления утилизации солнечной радиации и низкопотенциального тепла является возможность использования экологически чистого рабочего тела - воды [2]. Естественным ограничением при выборе воды в качестве рабочего тела является ее относительно высокая температура замерзания, но даже в этом случае существует потребность в холодильных камерах с температурой в интервале 5 - 7 °С.

Использование воды в качестве рабочего тела в адсорбционно-десорбционных холодильных циклах инициировало исследования в области синтеза эффективных композитных адсорбентов воды, представляющих собой гигроскопичные соли, импрегнированные в пористые матрицы. Адсорбенты такого типа сочетают высокую влагоемкость и относительно низкую температуру десорбции, которая в рабочем интервале изменения влагосодержания адсорбента часто не превышает 90 — 110 °С [3].

Вследствие низкого давления пара при температуре в испарителе порядка 5 -7 °С присутствие в газовой фазе даже небольших количеств несорбируемого компонента, который, как показывает опыт, с неизбежностью накапливается в адсорбционных устройствах, может существенно уменьшить скорость адсорбции. Этот эффект отмечен в процессах пленочной абсорбции [4].

Существенной особенностью адсорбционно-десорбционных циклов, лежащих в основе адсорбционных технологий утилизации низкопотенциального тепла, является их периодичность, заключающаяся в чередовании стадий адсорбции и десорбции (регенерация адсорбента). Вот почему появляется задача исследования динамики адсорбционных процессов.

Эффективность адсорбционно-десорбционных циклов зависит от множества факторов: структуры зерен адсорбента, физико-химических характеристики композитного адсорбента, характера упаковки зерен адсорбента в слое (порозность слоя, координационное число упаковки, различие в плотности упаковки слоя вблизи твердых поверхностей и на границе с газовой фазой) и т.п. При адсорбции или десорбции воды, когда теплота адсорбции достаточно велика, на первый план выходит взаимообусловленность одновременно протекающих процессов поглощения или выделения тепла и массы в объеме зерна адсорбента и их перенос по зерну адсорбента и в прилегающем газовом слое. Действительно, скорость выделения (поглощения) тепла при адсорбции (десорбции) обуславливает изменение не только температуры, но и давления пара в рассматриваемой точке адсорбента, поскольку оба параметра связаны универсальной функцией адсорбции. На внешней границе зерна адсорбента существенную роль играет перенос пара по газовой фазе, теплообмен между адсорбентом и газовой фазой и теплообмен между теплоаккумулирующей поверхностью и примыкающим слоем адсорбента. Сложность теоретического анализа адсорбционно-десорбционных процессов с одновременным учетом факторов тепло- и массопереноса выдвигает на первый план разработку математических моделей и использование их для анализа различных физико-химических аспектов, возникающих при рассмотрении проблемы. В литературе этому посвящено большое количество публикаций и обзоров [5].

Цель работы. Построить макрокинетическую модель совместного тепло- и массопереноса при адсорбции/десорбции пара воды на отдельной грануле композитного адсорбента, учитывающую нелинейность универсальной функции адсорбции и присутствие в газовой фазе несорбируемого компонента. Определить основные параметры макрокинетической модели из экспериментальных данных. Провести математическое моделирование работы адсорбционно-десорбционного цикла тепловых насосов, использующих на стадии десорбции энергию солнечной радиации или низкопотенциальную теплоту. На защиту выносятся:

• Макрокинетическая модель совместного тепло- и массопереноса при адсорбции/десорбции пара воды на отдельной грануле композитного адсорбента.

• Динамические особенности процесса адсорбции воды, обусловленные нелинейностью универсальной функции адсорбции и присутствием в газовой фазе несорбируемого компонента.

• Зависимость коэффициента теплообмена между гранулой адсорбента и газовой фазой от парциального давления несорбируемого компонента.

• Зависимость эффективности адсорбционно-десорбционного цикла теплового насоса от геометрических и временных параметров (геометрические параметры слоя адсорбента, продолжительность стадий адсорбционно-десорбционного цикла). Научная новизна

Исследована« пространственно-временная структура динамического слоя в газовой фазе вблизи поверхности гранулы адсорбента, возникающего в процессе адсорбции в присутствии несорбируемого компонента и проведена количественная оценка снижения скорости адсорбции воды в зависимости от парциального давления несорбируемого компонента.

Объяснено различие в скоростях адсорбции и десорбции в одном и том же температурном интервале, обусловленное существенной нелинейностью универсальной функции адсорбции.

С использованием разработанной математической модели из экспериментальных данных определены коэффициент диффузии воды в грануле адсорбента Д^ = 4,0 - 6,0*10' м /с и эффективный коэффициент теплообмена между гранулой адсорбента и газовой фазой аё ~ 60 Вт/м2*К в. отсутствии» несорбируемого компонента.

Получена зависимость коэффициента теплообмена между гранулой адсорбента и газовой фазой от парциального давления несорбируемого компонента и указана аналогия с процессом конденсации пара в присутствии неконденсируемой примеси.

Определены оптимальные значения основных геометрических параметров солнечной адсорбционной холодильной установки — толщина слоя адсорбента и расстояние между теплопроводящими элементами.

Практическое значение. Макрокинетическая модель и параметры процесса являются основой для расчета и оптимизации реальных холодильных устройств, утилизирующих солнечную радиацию или низкопотенциальную теплоту, рассеиваемую на крупных промышленных и коммунальных предприятиях. Апробация работы. Основные результаты работы докладывались на XI и XIII всероссийском симпозиумах „Актуальные проблемы теории адсорбции, пористости и адсорбционной селективности" с международным участием, г. Москва — Клязьма, 2007 и 2009 гг.; на научной конференции „Ломоносов 2009", секция „Химия" и на коллоквиуме в Институте физической химии и электрохимии им. А.Н. Фрумкина РАН, г. Москва, 2009 г.

Список принятых обозначений л

А — площадь твердого ядра гранулы сорбента, [м ] Ъ — толщина металлической пластины, [м] Bi — число Био С — концентрация, [моль/м ] ср — теплоемкость, [Дж/(кг*К)]

СОР— coefficient of performance, холодильный коэффициент d — диаметр пор, [нм] л

D — коэффициент диффузии, [м /с]

Еа — энергия активации, [Дж/моль]

F— потенциал Поляни, [Дж/моль]

АН — удельная теплота адсорбции, [Дж/моль] л

I— интенсивность падающего солнечного потока [Дж/(м *с)] у — мольный поток, [моль/(м2,с)] к — коэффициент массообмена для адсорбции/десорбции [с"1] Кп — параметр Кнудсена (отношение числа столкновения молекул со стенками к числу межмолекулярных столкновений) I — высота слоя адсорбента, [м] m — масса, [кг]

N—равновесная адсорбция, [моль воды/моль соли] Na — число Авогадро, [моль"1] Nu — число Нуссельта Р — давление, [мбар] Рг — число Прандтля q — локальное влагосодержание в слое сорбента, [моль воды/моль соли]

Q — энергия, [Дж] R — радиус, [м]

Rg — универсальная газовая постоянная, [Дж/(моль*К)] Re — число Рейнольдса

•у

S — площадь, [м ] t—время, [с] Т—температура, [К] и — линейная скорость конвективного потока в газовой фазе, [м/с] о — скорость [м/с] Л

V— объем [м ]

Wcacu — массовя доля хлорида кальция в композитном адсорбенте, [масс. %] х — мольная доля

Z — пространственная координата по высоте слоя адсорбента, [м] АХМ — адсорбционная холодильная машина

Греческие символы: а — коэффициент теплообмена, [Дж/(м2 с К)] р — коэффициент массообмена е — пористость (УП0р/Уадс0рбе1Гга) r¡ — динамический коэффициент вязкости, коэффициент эффективности коллектора солнечного излучения

Я — теплопроводность, [Вт/(м*К)]; длина свободного пробега молекул газа, [м] ju — молекулярная масса, [кг/моль] а р — плотность, [ кг\м ]

2 — эффективное сечение столкновений, [Á2]

Di — средняя тепловая скорость движения молекул газа, [м/с] £2 — интеграл столкновений

Часть I. Литературный обзор