Моделирование сорбционного равновесия CO₂, CO, CH₄, H₂ с использованием уравнения Дубинина–Астахова на цеолитах NаX, CаA и активном угле

По результатам экспериментальных исследований получены адсорбционные изотермы для газов: диоксида углерода, оксида углерода, метана и водорода на промышленных адсорбентах. Предложен подход для расчета коэффициентов уравнения Дубинина–Астахова на основе экспериментальных изотерм, позволяющий определять величину равновесной адсорбции компонентов водородсодержащей газовой смеси с высокой точностью. Подход включает: расчет значений предельного адсорбционного объема данного адсорбента и характеристической энергии адсорбции стандартного газа (азота) для заданного адсорбента с использованием экспериментальных изотерм адсорбции азота, полученных при температуре 77,3 K в диапазоне относительных давлений адсорбции от 0 до 1 на каждом из исследуемых адсорбентов, а именно: NaX, CaA, СКТ-4; нахождение расчетных значений коэффициентов аффинности, показателя степени, термического коэффициента предельной адсорбции уравнения Дубинина–Астахова (для температур и давлений, при которых получены экспериментальные изотермы сорбции исследуемых газов), обеспечивающих минимальное значение невязки между расчетными и экспериментальными изотермами; усреднение найденных значений коэффициентов аффинности и показателя степени. Эффективность предложенного подхода продемонстрирована на примере расчета параметров уравнения Дубинина–Астахова для CO₂, CO, CH₄ при использовании цеолитов NaX, CaA, активного угля СКТ-4. Среднеквадратическое отклонение между расчётными и экспериментальными данными не превышает 6,6 % в широком диапазоне давлений (до 3,0 МПа) и температур (293…353 K) для изученных сорбентов (цеолиты NaX, CaA, активный уголь СКТ-4). 

1. Kel'tsev NV. Fundamentals of adsorption technology. Moscow: Khimiya; 1976. 512 p. (In Russ.)

2. Ruthven DM, Farooq S, Knaebel KS. Pressure swing adsorption. New York: VCH Publishers; 1993. 189 p.

3. Shumyatsky YI. Industrial Adsorption Processes. Moscow: KolosS; 2009. 183 p. (In Russ.)

4. Dvoretskii SI, Dvoretskii DS, Akulinin EI, Meronyuk KI, et al. Modern approaches to development of flexible pressure swing adsorption units for separation of hydrogen-containing gaseous mixtures. Theoretical Foundations of Chemical Engineering. 2024;58(6):1957-1979. DOI:10.1134/S0040579525601013

5. Akulinin EI, Ishin AN, Skvortsov SA, Dvoretskiy DS, Dvoretskiy SI. Numerical study of the dynamics of the adsorption separation of a gas mixture and hydrogen concentration. Khimicheskaya tekhnologiya = Theoretical Foundations of Chemical Engineering. 2018;19(8):368-375. (In Russ.)

6. Akulinin E, Golubyatnikov O, Dvoretsky D, Dvoretsky S. Methodology for creating and studying units for adsorption separation and purification of gas mixtures. Journal of Advanced Materials and Technologies. 2021;6(3):179-203. DOI:10.17277/jamt.2021.03.pp.179-203

7. Akulinin EI, Golubyatnikov OO, Dvoretsky DS, Dvoretsky SI. A numerical study of heat and mass exchange processes in swing adsorption device for oxygenenriched air. Advanced Materials & Technologies. 2019; (3(15)):056-065. DOI:10.17277/amt.2019.03.pp.056-065

8. Delgado JA, Agueda VI, Uguina MA, Sotelo JL, Brea P. Hydrogen recovery from off-gases with nitrogenrich impurity by pressure swing adsorption using CaX and 5A zeolites. Adsorption. 2015;21(1-2):107-123. DOI:10.1007/s10450-015-9654-z

9. Oreggioni GD, Brandani S, Luberti M, Baykan Y, et al. CO2 capture from syngas by an adsorption process at a biomass gasification CHP plant: Its comparison with amine-based CO2 capture. International Journal of Greenhouse Gas Control. 2015;35:71-81. DOI:10.1016/j.ijggc.2015.01.008

10. Shi W, Yang H, Shen Y, Fu Q et al. Two-stage PSA/VSA to produce H2 with CO2 capture via steam methane reforming (SMR). International Journal of Hydrogen Energy. 2018;43(41):19057-19074. DOI:10.1016/j.ijhydene.2018.08.077

11. Dubinin MM. Adsorption and Porosity. Moscow: VAKhZ; 1972. 124 p. (In Russ.)

12. Dubinin MM. Fundamentals of the theory of adsorption in micropores of carbon adsorbents: characteristics of their adsorption properties and microporous structures. Carbon. 1989;27(3):457-467. DOI:10.1016/0008-6223(89)90078-X

13. Quayle OR. The parachors of organic compounds. An interpretation and catalogue. Chemical Reviews. 1953;53(3):439-589. DOI:10.1021/cr60166a003

14. McGowan JC, Mellors A. Molecular volumes and the parachor. In: McGowan JC, Phillips GT. (eds.), Molecular volumes in chemistry and biology: Applications including partitioning and toxicity. Halsted Press; 1986. p. 1-20.

15. Park J, Beum H, Han S, Cho D, Cho K. Pressure swing adsorption process and pressure swing adsorption apparatus. United States patent 10,933,366. 02 March 2021.

16. Park Y, Kang JH, Moon DK, Jo YS, Lee CH. Parallel and series multi-bed pressure swing adsorption processes for H2 recovery from a lean hydrogen mixture. Chemical Engineering Journal. 2021;408:127299. DOI:10.1016/j.cej.2020.127299

17. Zhang N, Bénard P, Chahine R, Yang T, Xiao J. Optimization of pressure swing adsorption for hydrogen purification based on Box-Behnken design method. International Journal of Hydrogen Energy. 2021;46(7): 5403-5417. DOI:10.1016/j.ijhydene.2020.11.045

18. Brea P, Delgado JA, Águeda VI, Gutiérrez P, Uguina MA. Multicomponent adsorption of H2, CH4, CO and CO2 in zeolites NaX, CaX and MgX. Evaluation of performance in PSA cycles for hydrogen purification. Microporous and Mesoporous Materials. 2019;286:187-198. DOI:10.1016/j.micromeso.2019.05.021

19. Luberti M, Brown A, Balsamo M, Capocelli M. Numerical analysis of VPSA technology retrofitted to steam reforming hydrogen plants to capture CO2 and produce blue H2. Energies. 2022;15(3). DOI:10.3390/en15031091

20. Yang SI, Park JY, Choi DK, Kim SH. Effects of the residence time in four-bed pressure swing adsorption process. Separation Science and Technology. 2009;44(5): 1023-1044. DOI:10.1080/01496390902729122

21. Abdeljaoued A, Relvas F, Mendes A, Chahbani MH. Simulation and experimental results of a PSA process for production of hydrogen used in fuel cells. Journal of Environmental Chemical Engineering. 2018;6(1):338-355. DOI:10.1016/j.jece.2017.12.010

22. Li H, Liao Z, Sun J, Jiang, B et al. Modelling and simulation of two-bed PSA process for separating H2 from methane steam reforming. Chinese Journal of Chemical Engineering. 2019;27(8):1870-1878. DOI:10.1016/j.cjche.2018.11.022

23. KNT group production of sorbents and catalysts. [Website]. Available from: https://www.kntgroup.ru/ru/main [Accessed 03 February 2025].

24. JSC "Experimental Chemical Plant". [Website]. URL: https://лидеркарбон.рф/ [Accessed 03 February 2025].

25. D'yakonov VP, Kruglov VA. Matlab extension packs: A special reference book. Saint Petersburg: Piter; 2001. 475 p. (In Russ.)