Kursovaya1

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ РЕСПУБЛИКИ БЕЛАРУСЬ

БЕЛОРУССКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

ФИЗИЧЕСКИЙ ФАКУЛЬТЕТ

Кафедра энергофизики

ТЕХНОЛОГИЯ ХРАНЕНИЯ ПРИРОДНОГО ГАЗА В АДСОРБИРОВАННОМ ВИДЕ

Курсовая работа

Дашко Виктория Леонидовна

студентки 3 курса,

специальность «производственная деятельность»

Научный руководитель:

Канончик Лариса Евгеньевна

Минск, 2014

Содержание

Введение________________________________________________________3 Литературный обзор_____________________________________________4

Основная часть__________________________________________________8

1.1Использование природного газа в качестве моторного топлива________8

1.2Применение твердых сорбентов для хранения природного газа________9

1.3Активированные углеродные материалы для систем хранения природного газа в адсорбированном состоянии__________________________________13

1.4Экспериментальные методы построения изотерм сорбции___________15

1.5Выбор метода определения сорбционных свойств микропористых углеродных материалов____________________________________________17 1.6Типы изотерм__________________________________________________19 1.7Описание методики проведения экспериментов_____________________20

1.8Экспериментальная установка для определения адсорбции метана микропористыми сорбентами_______________________________________22

Заключение_____________________________________________________28 Приложение_____________________________________________________29 Литература______________________________________________________30

2

Введение

Анализируется актуальность замены традиционных видов моторного топлива природным газом и перспективность применения твердых сорбентов для его хранения на транспорте. Приводятся экспериментальные данные по сорбции метана активированным угольным волокном в диапазоне температур -40 -+40 0С и давлений до 5 МПа. Описывается баллон, который обеспечивает за счет применения сорбента понижение уровня рабочего давления и увеличение объемной плотности хранения по сравнению с системами сжатого природного газа.

3

Литературный обзор

Природный газ — смесь газов, образовавшихся в недрах Земли при анаэробном разложении органических веществ, газ относится к группе осадочных горных пород.

Природный газ относится к полезным ископаемым. Природный газ в пластовых условиях (условиях залегания в земных недрах) находится в газообразном состоянии — в виде отдельных скоплений (газовые залежи) или в виде газовой шапки нефтегазовых месторождений, либо в растворённом состоянии в нефти или воде. При нормальных условиях (101,325 кПа и 0 °C) природный газ находится только в газообразном состоянии. Также природный газ может находиться в кристаллическом состоянии в виде естественных газогидратов.

Химический состав

Основную часть природного газа составляет метан (CH4) — от 70 до 98 %. В состав природного газа могут также входить более тяжёлые углеводороды — гомологиметана:

этан (C2H6),

пропан (C3H8),

бутан (C4H10).

а также другие неуглеводородные вещества:

водород (H2),

сероводород (H2S),

диоксид углерода (СО2),

азот (N2),

гелий (Не).

Чистый природный газ не имеет цвета и запаха. Для облегчения возможности определения утечки газа, в него в небольшом количестве добавляют одоранты — вещества, имеющие резкий неприятный запах (гнилой капусты, прелого сена, тухлых яиц).

Физические свойства

Ориентировочные физические характеристики (зависят от состава; при нормальных условиях, если не указано иное):

4

Плотность:

от 0,68 до 0,85 кг/м³ (сухой газообразный);

400 кг/м³ (жидкий).

Температура самовозгорания: 650 °C;

Взрывоопасные концентрации смеси газа с воздухом от 5 % до 15 % объёмных;

Удельная теплота сгорания: 28—46 МДж/м³ (6,7—11,0 Мкал/м³)[1] (т.е. это

8-12 квт-ч/м³);

Октановое число при использовании в двигателях внутреннего сгорания:

120—130.

Легче воздуха в 1,8 раз, поэтому при утечке не собирается в низинах, а поднимается вверх.

Месторождения природного газа

В осадочной оболочке земной коры сосредоточены огромные залежи природного газа. Согласно теории биогенного (органического) происхождения нефти, они образуются в результате разложения останков живых организмов. Считается, что природный газ образуется в осадочной оболочке при больших температурах и давлениях, чем нефть. С этим согласуется тот факт, что месторождения газа часто расположены глубже, чем месторождения нефти.

Огромными запасами природного газа обладают Россия (Уренгойское месторождение), Иран, большинство стран Персидского залива, США, Канада. Из европейских стран стоит

отметить Норвегию, Нидерланды. Среди бывших республик Советского Союза большими запасами газа владеют Туркмения, Азербайджан, Узбекистан, а

также Казахстан (Карачаганакское месторождение)

Во второй половине XX века в университете им. И. М. Губкина были открыты природные газогидраты (или гидраты метана). Позже выяснилось, что запасы природного газа в данном состоянии огромны. Они располагаются как под землёй, так и на незначительном углублении под морским дном.

Метан и некоторые другие углеводороды широко распространены в космосе. Метан — третий по распространённости газ вселенной, после водорода и гелия. В виде метанового льда он участвует в строении многих удалённых от солнца планет и астероидов, однако такие скопления, как правило, не относят к залежам природного газа, и они до сих пор не нашли практического

5

применения. Значительное количество углеводородов присутствует в мантии Земли, однако они тоже не представляют интереса.

Экология

В экологическом отношении природный газ является самым чистым видом органического топлива. При его сгорании образуется значительно меньшее количество вредных веществ по сравнению с другими видами топлива.

Однако сжигание человечеством огромного количества различных видов топлива, в том числе природного газа, за последние полвека привело к некоторому незначительному увеличению содержания углекислого газа в атмосфере, который является парниковым газом. Некоторые ученые на этом основании делают вывод об опасности возникновения парникового эффекта и как следствие — потепление климата. В связи с этим в 1997 году некоторыми странами был подписан Киотский протокол по ограничению парникового эффекта. По состоянию на 26 марта 2009 года Протокол был ратифицирован 181 страной мира (на эти страны совокупно приходится более чем 61 % общемировых выбросов).

Следующим шагом было внедрение в действие с весны 2004 года негласной альтернативной глобальной программы ускоренного преодоления последствий техноэкологического кризиса. Основой программы стало установление адекватного ценообразования на энергоносители по их топливной калорийности. Цена определяется исходя из стоимости получаемых энергий на конечном потреблении из единицы измерения энергоносителя. С августа 2004 года по август 2007 года было рекомендовано и поддерживалось регуляторами соотношение 0,10 долларов США за киловатт-час (средняя стоимость нефти — 68 долларов за баррель).

С августа 2007 года была произведена ревальвация соотношения до 0,15 долларов за киловатт-час (средняя стоимость нефти — 102 доллара за баррель). Финансово-экономический кризис внёс свои коррективы, но указанное соотношение будет восстановлено регуляторами. Отсутствие управляемости на рынке газа задерживает установление адекватного ценобразования. Средняя стоимость газа при указанном соотношении — 648 долларов за 1000 м³.

Применение

Природный газ широко применяется в качестве горючего в жилых, частных и многоквартирных домах для отопления, подогрева воды и приготовления пищи; как топливо для машин (газотопливная система автомобиля), котельных, ТЭЦ и др. Сейчас он используется в химической промышленности как исходное сырьё для получения различных органических веществ, например, пластмасс.

6

Сорбенты — твердые тела или жидкости, избирательно поглощающие (сорбирующие) из окружающей среды газы, пары или растворённые вещества. В зависимости от характера сорбции различают абсорбенты — тела, образующие с поглощённым веществом твёрдый или жидкий раствор, адсорбенты — тела, поглощающие (сгущающие) вещество на своей (обычно сильно развитой) поверхности, и химические поглотители, которые связывают поглощаемое вещество, вступая с ним в химическое взаимодействие. Отдельную группу составляют ионообменные сорбенты (иониты), поглощающие из растворов ионы одного типа с выделением в раствор эквивалентного количества ионов другого типа. Широко

используют активированный уголь, силикагель, оксид алюминия, диоксид кремния, различные ионообменные смолы, дибутилфталат и др.

Твердые сорбенты подразделяются на гранулированные и волокнистые. Волокнистые сорбенты обладают более высокой кинетикой сорбции за счет более высокой удельной поверхности и большей доступности функциональных групп. Кроме того, волокнистые сорбенты обладают большими показателями по регенеративной

способности (возможность повторного применения), что особенно актуально для промышленной сферы применения устранение последствий от аварийного разлива нефти, нефтепродуктов, иных агрессивных веществ.

Следует учесть, что волокнистые сорбенты являются горючими, то есть пожаровзрывоопасными.

На рынке присутствует достаточное количество сорбентов для сбора нефтепродуктов, мазута, дизтоплива, масла или жира, но не каждый из них может обеспечить требуемую безопасность, удобство применения и качество. Так например, сорбент мазута, дизтоплива, масла не должен гореть сам по себе, понижая тем самым температуру воспламенения, поэтому применение сорбента на основе мха, опилок, синтепона, пенопласта, резины создает пожароопасную ситуацию. Некоторые токсичные жидкости начинают разъедать структуру сорбента, что так же не допустимо. Немаловажным свойством сорбента, является его дальнейшая утилизация. Как правило, утилизация производится через захоронение, сжигание или размещение на специальных полигонах. Сжигание возможно только сорбентов, которые, впитав в себя нефтепродукты, остались рассыпчатыми и не образовали сгустков. Такими свойствами сорбенты на основе полимерных, синтетических, угольных волокон, полипропилена, пенопласта не обладают. При нагревании они плавятся, забивают систему подачи сжигающей установки, образуют сгустки, что делает невозможным их утилизацию.

7

Основная часть

1.1.Использование природного газа в качестве моторного топлива.

Рост объема потребления нефти при сокращении ее запасов, а также экологическая проблема послужили причиной широкого использования природного газа в качестве моторного топлива, особенно в последние двадцать лет.

Природный газ по основным свойствам соответствует, а по некоторым показателям даже превосходит традиционные виды топлива, такие как бензин и дизельное топливо /1-2/. Например, октановое число природного газа, равное 102-108, выше октанового числа первосортных бензинов (93-98). Актуальность замены природным газом традиционных моторных топлив обусловлена такими факторами, как более низкая стоимость, экономичность эксплуатации автомобиля, благодаря увеличению ресурса работы двигателей на 40-50 % и сроков замены свечей зажигания и масел. Основные преимущества применения природного газа на транспортных средствах связаны, прежде всего, с его экологической чистотой. С точки зрения охраны окружающей среды, природный газ после водорода является наиболее чистым видом топлива. Он содержит от 85 до 100 % метана, в котором минимум углерода и максимум водорода по сравнению с традиционными видами топлива. Поэтому при использовании природного газа в качестве топлива выхлопные газы двигателей практически не содержат твердых частиц (сажи) и содержат меньше количества двуокиси углерода и окиси углерода, являющихся основной причиной возникновения парникового эффекта. В состав природного газа не входят токсичные вещества, которые добавляются в бензин для повышения октанового числа. Температура

воспламенения природного газа 450 0С, бензина – 200 0С. Поэтому природный газ, с точки зрения воспламенения и пожароопасности, считается наиболее безопасным видом топлива.

К недостаткам природного газа относится его низкая плотность и низкая объемная теплота сгорания, которая в 1000 раз меньше, чем у бензина. Из-за низкой съемной концентрации энергии запасы его на транспорте приходится размещать после предварительной подготовки по одному из способов сжатия до высоких давлений (20-30 МПа) или сжижения при низких температурах. Это приводит к необходимости хранения природного газа в баллонах, имеющих большие габариты и массу. За счет этого масса газобаллонных автомобилей увеличивается, а грузоподъемность и запас хода снижаются по

8

сравнению с аналогичными показателями автомобилей на бензине на 15-20 %. Стоимость газобаллонных автомобилей увеличивается за счет установки дополнительного оборудования на 20-25 %.

Наиболее реальной альтернативой традиционным видам топлива для Республики Беларусь в настоящее время является решение проблемы обеспечения автомобильным топливом за счет широкого использования природного газа низкого (0.6-1.2МПа) и среднего (2.5-5 МПа) давлений. Целесообразность использования газа указанных давлений обусловлена следующими соображениями:

-в стране имеется развитая сеть магистральных газопроводов, газораспределительных станций и пунктов, которые размещены на окраинах городов и в самих городах, в том числе в непосредственной близости к местам базирования транспорта;

-существуют транспортные средства (коммунальные, специальные), пробег которых не превышает 100 км/сутки, а следовательно, не требует большого объема и частоты заправки газом. Кроме того, имеются автобусы, работающие по определенным маршрутам, проходящим вблизи газопроводов, частая заправка которых не вызывает трудностей и нарушений графика движений;

-резко сокращаются капитальные вложения на сооружение автомобильных газонаполнительных компрессорных станций и затраты на электроэнергию;

-упрощается переоборудование транспортных средств на газ и организацию сервисного обслуживания;

-повышается безопасность эксплуатации газобаллонных автомобилей и пунктов заправки.

1.2.Применение твердых сорбентов для хранения природного

газа

Большая металлоемкость сосудов для хранения сжатого природного газа и повышение энергозатрат для сжижения или сжатия требуют иных путей создания нужных запасов природного газа на транспортных средствах.

В настоящее время наблюдается рост исследований, направленных на изучение возможности использования твердых сорбентов для хранения природного газа. Одной из причин исследовательского интереса к этим материалам является тот факт, что при их использовании в качестве наполнителей баллонов природный газ хранится в адсорбированном виде при сниженных давлениях без уменьшения объема по газу. Применение сорбентов может дать снижение расхода металла на изготовление баллонов, снижение затрат энергии на комприрование газа, сокращение расходов на

9

компрессорное оборудование - основную статью затрат на производство сжатого природного газа.

Сравнительный анализ различных технологий хранения природного газа на транспортных средствах, их уровень развития в настоящее время выполнен в работе / 3 /. По оценкам автора хранение метана в абсорбируемом виде на транспортных средствах мало изучено. Можно ожидать относительно высокой емкости у ряда синтетических поглотителей и кремнийорганических соединений типа силоксанов. В работе сделан вывод, что на ближайшие десятилетия альтернативой сжатому газу будет адсорбированный в микропорах твердого сорбента газ.

Первые работы по изучению сорбции метана при повышенных давлениях были проделаны более 70 лет назад в связи с использованием адсорбции как универсального метода для разделения парогазовых смесей, для очистки и осушки природного газа. Еще в 40-е годы в Институте горного дела АН СССР под руководством академика Дубинина. Павельев / 4-5 / выполнил экспериментальное исследование сорбции метана при давлениях

от 0.1 до 100 МПа и температуре 250С на двух образцах активированных углей различной структуры - марки АГ2, F-23 (уголь F-23 микропористый, импортный, по структуре близок к отечественному углю марки СКТ). На основании экспериментальных данных было установлено, что адсорбционная способность углей по метану резко возрастает с увеличением давления до 5-6

адсорбенты / 6-7/ активированные угли, цеолиты, силикагели, полимерные сорбенты на основе сополимеров стирола, этилстирола и дивинилбензола (паранаки P, Q, PS и QS). По данным Кельцева с соавторами / 7 /, при давлении 5 МПа объем баллона по метану с активированным углем может в 2.5 раза превышать объем по газу такого же баллона без адсорбента.

Имеются зарубежные сообщения о том, что подобраны сорбенты, увеличивающие вместимость по метану в 5-10 раз. Так, фирма "Юнион карбайд" рекомендует в качестве наполнителя порошкообразный углерод / 8 /, при использовании которого газ хранится при давлении 3.5 МПа без уменьшения вместимости по сравнению с объемом сжатого газа при давлении 20 МПа. Патент / 9 / описывает способ увеличения плотности хранения (масса газа, содержащегося в единице объема хранения) метана в автомобиле в 10 раз при комнатной температуре и давлении 1 МПа за счет размещения в топливном баке твердого сорбента. В фирме "Ford" / 10-12 / созданы опытные адсорбенты и баллоны, которые при давлении 2 МПа содержат запас газа, эквивалентный баллонам с давлением 15 МПа.

В США / 13-14 / разработан и изготовлен плоский автомобильный бак, заполненный прессованным угольным сорбентом. При температуре окружающей среды и давлении 3.5 МПа такой баллон способен обеспечивать объемную плотность хранения (объем газа, содержащегося в 1 единице

объема) природного газа до 170 нм3/м3.

10