К ВОПРОСУ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ УРАВНЕНИЯ ДУБИНИНА–РАДУШКЕВИЧА–АСТАХОВА В РАСЧЕТАХ ИЗОТЕРМ H2, CO2, CO ДЛЯ ПРОЦЕССА КОРОТКОЦИКЛОВОЙ БЕЗНАГРЕВНОЙ АДСОРБЦИИ ИЗВЛЕЧЕНИЯ ВОДОРОДА НА БЛОЧНЫХ ЦЕОЛИТАХ 13X
Аннотация
Расчет изотерм адсорбции компонентов синтез-газа в процессе короткоцикловой безнагревной адсорбции (КБА) для извлечения из него водорода на цеолитовых адсорбентах традиционно осуществляется с использованием уравнения Ленгмюра или производных от него уравнений. Недостатком его использования является необходимость получения экспериментальных изотерм адсорбции по каждому газу, входящему в газовую смесь на используемом адсорбенте. Такой подход является затратным, особенно в случае многокомпонентных смесей, таких, как синтез-газ. В статье продемонстрирован способ расчета изотерм адсорбции газов H2, CO2, CO в процессе КБА извлечения водорода из синтез-газа на перспективных блочных цеолитах 13X с использованием уравнения Дубинина–Радушкевича–Астахова (ДРА). Получены экспериментальные изотермы адсорбции H2, CO2, CO при температурах 293 и 323 К, изотермы адсорбции N2 при температуре его кипения 77,35 К на цеолитах 13X трех образцов. С использованием экспериментальных изотерм решены задачи параметрической идентификации и определены параметры уравнения ДРА для газов H2, CO2, CO на блочных цеолитах 13X. Установлено, что расчет изотерм адсорбции газов H2, CO2, CO на блочных цеолитах 13X, характеристики которых попадают в интервалы предельного адсорбционного объема 0,258–0,296 см3/г и характеристической энергии адсорбции 10279–13395 Дж/моль, можно корректно осуществлять с использованием уравнения ДРА в диапазоне температур 293–323 К и давлений 0–30 атм. При этом максимальная ошибка в рассогласовании между экспериментальными изотермами газов и рассчитанными по уравнению ДРА составила 14,69% по H2; минимальная – 1,81% по CO2. В отличие от традиционного способа, полученные коэффициенты аффинности позволяют осуществлять расчет изотерм адсорбции газов H2, CO2, CO в найденных интервалах предельного адсорбционного объема и характеристической энергии адсорбции всего лишь по одной изотерме стандартного газа (N2) на используемом цеолите 13X. Универсальность способа расчета по предложенной методике может быть использована для расчетов изотерм адсорбции различных газов, смесей и адсорбентов в циклических адсорбционных процессах.
Для цитирования:
Голубятников О.О., Акулинин Е.И. К вопросу использования уравнения Дубинина–Радушкевича–Астахова в расчетах изотерм H2, CO2, CO для процесса короткоцикловой безнагревной адсорбции извлечения водорода на блочных цеолитах 13X. Изв. вузов. Химия и хим. технология. 2022. Т. 65. Вып. 8. С. 39-47. DOI: 10.6060/ivkkt.20226508.6625.
Литература
Singla S., Shetti N., Basu S. Hydrogen production technologies - Membrane based separation, storage and challenges. J. Environ. Manag. 2022. V. 302. P. 113963. DOI: 10.1016/j.jenvman.2021.113963.
Dat V., Kang J., Oh M. Dynamic model and performance of an integrated sorption-enhanced steam methane reforming process with separators for the simultaneous blue H2 production and CO2 capture. Chem. Eng. J. 2021. V. 423. P. 130044. DOI: 10.1016/j.cej.2021.130044.
Li H., Liao Z., Sun J. Modelling and simulation of two-bed PSA process for separating H2 from methane steam reforming. Chin. J. Chem. Eng. 2019. V. 27. N 8. P. 1870–1878. DOI: 10.1016/ j.cjche.2018.11.022.
Tavan Y., Hosseini S.H., Olazar M. A note on an integrated process of methane steam reforming in junction with pressure-swing adsorption to produce pure hydrogen: Mathematical modeling. Ind. Eng. Chem. Res. 2015. V. 54. N 51. P. 12937-12947. DOI: 10.1021/acs.iecr.5b01477.
Agarwal A., Biegler L., Zitney S. Superstructure-based optimal synthesis of pressure swing adsorption cycles for precombustion CO2 Capture. Ind. Eng. Chem. Res. 2010. V. 49. N 11. P. 5066–5079. DOI: 1021/ie900873j.
Dowling A., Vetukuri S., Biegler L. Largescale optimization strategies for pressure swing adsorption cycle synthesis. AIChE J. 2012. V. 58. N 12. P. 3777–3791. DOI: 10.1002/aic.13928.
Delgado J.A., Águeda V.I., Uguina M.A. Adsorption and diffusion of H2, CO, CH4, and CO2 in BPL activated carbon and 13X zeolite: Evaluation of performance in pressure swing adsorption hydrogen purification by simulation. Ind. Eng. Chem. Res. 2014. V. 53. N 40. P. 15414-15426. DOI: 10.1021/ie403744u.
Abdeljaoued A., Relvas F., Mendes A. Simulation and experimental results of a PSA process for production of hydrogen used in fuel cells. J. Environ. Chem. Eng. 2018. V. 6. N 1. P. 338–355. DOI: 10.1016/j.jece.2017.12.010.
Yavary M., Ebrahim H.A., Falamaki C. The effect of number of pressure equalization steps on the performance of pressure swing adsorption process. Chem. Eng. Process. 2015. V. 87. P. 35-44. DOI: 10.1016/j.cep.2014.11.003.
Xiao J., Li C., Fang L. Machine learning–based optimization for hydrogen purification performance of layered bed pressure swing adsorption. Int. J. Energy Res. 2020. V. 44. N 6. P. 4475-4492. DOI: 10.1002/er.5225.
Asgari M. Synergistic material and process development: Application of a metal-organic framework, Cu-TDPAT, in single-cycle hydrogen purification and CO2 capture from synthesis gas. Chem. Eng. J. 2021. V. 414. P. 128778. DOI: 10.1016/j.cej.2021.128778.
Al-Naddaf Q., Rownaghi A., Rezaei F. Multicomponent adsorptive separation of CO2, CO, CH4, N2, and H2 over coreshell zeolite-5A@MOF-74 composite adsorbents. Chem. Eng. J. 2020. V. 384. P. 123251. DOI: 10.1016/j.cej.2019.123251.
Xiao Y., He G., Yuan M. Adsorption equilibrium and kinetics of methanol vapor on zeolites NaX, KA, and CaA and activated alumina. Ind. Eng. Chem. Res. 2018. V. 57. N 42. P. 14254–14260. DOI: 10.1021/acs.iecr.8b04076.
Akulinin E.I., Golubyatnikov O.O., Dvoretsky S.I. Pres-sure swing adsorption for recovery hydrogen, oxygen and nitrogen from gas mixtures: mathematical modeling, optimization and units design. ChemChemTech [Izv. Vyssh. Uchebn. Zaved. Khim. Khim. Tekhnol.]. 2021. V. 64. N 11. P. 8–29. DOI: 10.6060/ivkkt.20216411.6459.
Ohs B., Lohaus J., Marten D. Optimized hollow fiber sorbents and pressure swing adsorption process for H-2 recovery. Ind. Eng. Chem. Res. 2018. V. 57. N 14. P. 5093–5105. DOI: 10.1021/acs.iecr.7b05368.
Moon D.-K., Lee D.-G., Lee C.-H. H2 pressure swing adsorption for high pressure syngas from an integrated gasification combined cycle with a carbon capture process. Appl. En-ergy. 2016. V. 183. P. 760-774. DOI: 10.1016/j.apenergy.2016.09.038.
Shi W.-R., Tian C.-X., Ding Z.-Y. Review on Simulation, Optimization and Control of Pressure Swing Adsorption. Gaoxiao Huaxue Gongcheng Xuebao. 2018. V. 32. N 1. P. 8–15. DOI: 10.3969/j.issn.1003-9015.2018.01.002.
Liu B., Yu X., Shi W., Shen Y. Two-stage VSA/PSA for capturing carbon dioxide (CO2) and producing hydrogen (H2) from steam-methane reforming gas. Int. J. Hydrogen Energy. 2020. V. 45. N 46. P. 24870-24882. DOI: 10.1016/j.ijhydene.2020.06.264.
Ma S., Tong L., Ye F. Hydrogen purification layered bed optimization based on artificial neural network prediction of breakthrough curves. Int. J. Hydrogen Energy. 2019. V. 44. N 11. P. 5324-5333. DOI: 10.1016/j.ijhydene.2018.12.142.
Dubinin M.M. Fundamentals of the theory of adsorption in micropores of carbon adsorbents: Characteristics of their adsorption properties and microporous structures. Carbon. 1989. V. 27. N 3. P. 457–467. DOI: 10.1016/0008-6223(89)90078-X.
Tolmachev A. Adsorption of gases, vapors, and solutions: II. Description and a priori calculations of adsorption equilibria. Prot. Met. Phys. Chem. Surf. 2010. V. 46. N 3. P. 291–308. DOI: 10.1134/S2070205110030020.
Fomenkov P., Gumerov M., Tolmachev A. On the possibility of application of the TVFM and lattice-model equations at temperatures above the critical values of an adsorptive. Prot. Met. Phys. Chem. Surf. 2018. V. 54. N 4. P. 565–568. DOI: 10.1134/S2070205118040044.
Fomkin A., Pribylov A., Murdmaa K. Adsorption of hydrogen in microporous carbon adsorbents of different origin. Prot. Met. Phys. Chem. Surf. 2019. V. 55. N 3. P. 413–419. DOI: 10.1134/S2070205119030134.
Fomkin A., Pribylov A., Tkachev A. The influence of the structural and energetic characteristics of the microporous structure of carbon adsorbents on hydrogen adsorption. Col-loid J. 2019. V. 81. N 5. P. 607–612. DOI: 10.1134/S1061933X19050053.
Kuznetsova T., Fomenkov P., Kryuchenkova N. Thermo-dynamics of adsorption of light hydrocarbons on microporous active carbons at supercritical temperatures. Prot. Met. Phys. Chem. Surf. 2017. V. 53. N 3. P. 404–407. DOI: 10.1134/S2070205117030133.
Fomkin A., Petukhova G. Features of gas, vapor, and liquid adsorption by microporous adsorbents. Russ. J. Phys. Chem. A. 2020. V. 94. N 3. P. 516–525. DOI: 10.1134/S0036024420030097.
Rege S., Yang R., Buzanowski M. Sorbents for air prepurification in air separation. Chem. Eng. Sci. 2000. V. 55. N 21. P. 4827-4838. DOI: 10.1016/S0009-2509(00)00122-6.
Erdem-Şenatalar A, Tatlier M. The relationship of the geometric factor in the Dubinin-Astakhov isotherm equation with the fractal dimension. Chaos, solitons and fractals. 2000. V. 11. N 6. P. 953–960. DOI: 10.1016/S0960-0779(98)00321-X.
Oh H., Lim S., Kim J. Adsorption equilibria of water vapor on an alumina/zeolite 13X composite and silica gel. J. Chem. Eng. Data. 2017. V. 62. N 2. P. 804-811. DOI: 10.1021/acs.jced.6b00850.
Gomez L., Zacharia R., Bénard P. Multicomponent adsorption of biogas compositions containing CO2, CH4 and N2 on Maxsorb and Cu-BTC using extended Langmuir and Doong–Yang models. Adsorption. 2015. V. 21. N 5. P. 433-443. DOI: 10.1007/s10450-015-9684-6.
Epiepang F., Li J., Liu Y. Low-pressure performance evaluation of CO2, H2O and CH4 on Li-LSX as a superior adsorbent for air prepurification. Chem. Eng. Sci. 2016. V. 147. P. 100–108. DOI: 10.1016/j.ces.2016.03.022.
Vyas R., Kumar S. Determination of micropore volume and surface area of zeolite molecular sieves by D-R and D-A equations: a comparative study. Indian J. Chem. Technol. 2004. V. 11. N 5. P. 704–709.
Kolganov V., Potolokov N., Fedorov V. Calculating the similarity coefficients and adsorption energies for gases and vapors on zeolite NaX. Russ. J. Phys. Chem. A. 2005. V. 79. N 7. P. 1140–1144.
Poling B., Prausnitz J., O’Connell J. The properties of gases and liquids. McGraw-Hill. 2001. 803 p. DOI: 10.1036/0070116822.
Behvandi A, Tourani S. Equilibrium modeling of carbon dioxide adsorption on zeolites. World Academy of Science, Engineering and Technology. 2011. V. 52. P. 617–619.
Alami A, Boucham B, Gouareh A. Investigation on the energy eflciency of a geo-sol adsorption heat transformer in the algerian context. Int. J. Heat Technol. 2019. V. 37. N 3. P. 820-830. DOI: 10.18280/ijht.370319.
Golubyatnikov O., Akulinin E., Dvoretsky S. Numerical research to determine the dominant mechanism of mass and heat transfer in pressure swing adsorption processes. Bull. of the South Ural State Univ., Ser.: Mathem. Model., Program. and Comp. Software. 2021. V. 14. N 2. P. 39–51. DOI: 10.14529/mmp210204.
Kolganov V. Calculations of the similarity factor and initial adsorption heats of substances on LiX, NaX, and KX zeolites. Prot. Met. Phys. Chem. Surf. 2009. V. 45. N 2. P. 158-162. DOI: 10.1134/S2070205109020051.
