超临界氢气在活性炭上的吸附存储的数学模拟和研究

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1、海交通人学硕，{。学位论文摘要超临界氢气在活性炭上的吸附存储的数学模拟和研究摘要目前清洁燃料汽车随着人类对自身生活环境的日渐关注而迅速发展。而氢气在活性炭上的物理吸附，由于具有吸附剂质轻，原材料丰富，对少量的气体杂质不敏感，吸附氢容易脱附等优点，特别适合于汽车氢燃料的存储。常规储氢材料需要低温才有可能达到美国能源部(DOE)的氢应用经济性标准，因此，当活性炭的研究实验表明活性炭在常温和较高压力下能够达到比较理想和储氢结果时，活性炭在常温及较高温度下吸附存储氢气的研究也因此受到了世界各国的广泛关注，并且迅速成为储氢研究的热点。在活性炭材料微孔内的氢气分

2、子，由于受极强表面吸附势，氢气分子间作用能的作用，在吸附过程中呈现出许多异常现象，必须借助于统计力学，传热学，材料力学，吸附理论，吸附实验等众多方面研究的结合，才能有可能阐明氢气在活性炭内的吸附行为。到目前为止，理论上有关氢分子在活性炭材料微孔内吸附相还不清楚，针对如何解释超临界条件下的吸附等温线，超临界点以下条件的吸附理论是否适用以及如何获取所需要的关于吸附系统的技术数据等问题，本文展开了以下几方面的研究：1．提出了超临界吸附等温线新的模型化方法从Gibbs吸附定义出发，以吸附相密度为参数，采用Dubinin．Astakhov方程描述绝对吸附量，并

3、用超临界吸附的极限态作参考态，描述了所测得的具有最大点的吸附等温线。模型给出的吸附的密度值，与通过线性等温线模型的计算值相符，其值介于临界密度和常压沸点液体密度之间。将等温线线性化确定的极限态作为超临界吸附相参考态，使得传统的吸附理论亦能满意地解释超临界吸附行为。2．对吸附动力场和温度场耦合过程的建模和分析。经过研究了国内外大量吸附理论和模型的基础上，寻找到适合于：海交通人学硕上学位论文摘要活性炭吸附体系的吸附动力模型，再通过能量方程和气体状态方程与温度，压力等参数的变化相整合，得到适合单一组分吸附质存储应用的控制方程组。3．对计算结果进行分析，通过

4、程序得到的结果数据，分析了氢气吸附过程中的温度变化趋势，它的影响因素，以及吸附动力场中的压力，吸附速度，饱和吸附量以及它们之间的相互影响关系。4。对于模型分析中出现的吸附热问题进行了讨论，提出了几个解决方法，同时对此做了实用性分析和工程应用的可行性分析。本文的研究包括：进行了全尺寸吸附床的吸附动力场／温度场耦合分析和模拟；提出了系统的吸附存储热力学控制方程组；得到了实时吸附床的三维动力场和温度场的分布。面向我国吸附剂发展的实际情况，初步提出了实用的氢气加注和存储的优化方法，以及对吸附热效应的解决方案提出了一些改进方案。关键词：活性炭，热物性，温度场，

5、吸附热上海交通大学硕士学位论文摘要MathematicalSimulationandResearchonTheHydrogenAdsorptionintheSupercriticalAreaonActiVatedCarbonABSRACTAshuman’Smoreandmoreconcerningontheirlivingsurroundings，Low—exhaustingvehicleshavegotrapiddevelopment．Amongthesemodels，thepropertiesandbehaviorsofhydrogenmolec

6、ulesconfinedintheporeofactivatedcarbonhavenotbeenclearlyunderstood．However,theyarekeyfactorsinselectionofactivatedcarbonashydrogenstoragemediums，includingadsorptionheat，reversedeffectsbyheavyhydrocarbonandimpurities，searchingforahighadsorptionqualityandgoodheatconductionabsorbe

7、nt，andcontainerdesignation．Thispaperis．mainlyfocusedonthebehaviorsofhydrogeninsupercriticalstateintheactivatedcarbontoexplorethisareabycomputersimulationanddiscussionsofthegeneraladsorptionmodel。Fromtheviewpointsofadsorptiondynamics，heatingphenomena，andindustrialapplication，thi

8、spaperissetfortheoptimizationofthecontainers，storagest