[發明專利]建立濕氣源碳捕集競爭吸附性熱力學評價框架及計算方法

在審

• 申請號: 202110349206.5
• 申請日: 2021-03-31
• 公開（公告）號: CN113051764A
• 公開（公告）日: 2021-06-29
• 發明（設計）人: 鄧帥;趙潔;趙力;李雙俊;杜振宇;陳麗錦;吳開龍
• 申請（專利權）人: 天津大學
• 主分類號: G06F30/20
• 分類號: G06F30/20;G06F119/08;G06F119/14
• 代理公司: 北京智橋聯合知識產權代理事務所(普通合伙) 11560
• 代理人: 程小艷

1.建立濕氣源碳捕集競爭吸附性熱力學評價框架的方法，其特征在于：基于熱力學過程對濕氣源多組分的吸附競爭性進行完備的分析并形成自洽的熱力學體系，包括評價框架及數學表達式；

熱力學評價框架，其包含競爭吸附順序推演和主要熱力學驅動力的貢獻項分析兩部分：

其中，競爭吸附順序推演包括：目標吸附質的確定，構成多組分競爭吸附熱力學過程的熱力學評價參數確定，包括吸附焓變(ΔH_ads)、吸附熵變(ΔS_ads)、吉布斯自由能變(ΔG_ads)，多組分競爭吸附優先順序的確定；

主要熱力學驅動力的貢獻項提取是通過建立多組分吸附的熱力學評價參數判別表，并對其吸附過程中的優先順序進行熱力學量的解析及提取，從判別表中確定影響競爭吸附的主要熱力學驅動力；

具體方法步驟如下：

(1)明確構成多組分競爭吸附的吸附質類別；

(2)確定熱力學評價參數：吸附焓變(ΔH_ads)、吸附熵變(ΔS_ads)、吉布斯自由能變(ΔG_ads)；

(3)對可能的競爭吸附順序進行推演，選取不同溫度、壓力下的多個競爭吸附熱力學過程，利用蒙特卡洛模擬軟件與第一性原理模擬分別計算出吸附焓變與吸附熵變，依據基本熱力學關系分別得出吸附過程中CO₂與H₂O的吉布斯自由能，最后確定優先吸附順序；

(4)建立熱力學評價參數判別表：依據步驟(3)計算的出的吸附焓變、吸附熵變與吉布斯自由能變，得出不同吸附質分子優先吸附順序的主要熱力學驅動力；

(5)收集和分析數據；

(6)對多組分競爭吸附過程的最大熱力學驅動力貢獻進行歸納與總結，形成完備的競爭吸附熱力學評價框架。

2.根據權利要求1所述的建立濕氣源碳捕集競爭吸附性熱力學評價參數計算方法，其特征在于：

(1)吸附焓變的計算：吸附焓變的物理意義表示在恒溫恒壓下，1摩爾氣體從體相遷移到固體表面成為吸附態的過程熱效應，也可以用吸附熱q_st表示，計算式如式(1)所示：

ads代表吸附相，b代表體相；

H,n,V,U分別是焓，摩爾量，體積和內能；

基于系綜漲落法，通過蒙特卡洛模擬(GCMC)中出現的能量與粒子漲落形式來計算吸附焓變，上式的內能偏導數項可以擴展為：

其中，f(X,Y)＝XY-XY代表其相互作用對的系綜漲落形式，蒙特卡洛模擬并不是本發明的重點，因此不做具體展開；

(2)吸附熵變的計算：吸附熵變認為是自發過程中吸附分子從無序到有序的狀態量變化，其吸附過程的熵變如式(3)所示：

ΔS＝S_ads-S_gas (3)

ΔS代表吸附過程熵變，S_ads代表吸附分子在吸附相狀態下的熵值，S_gas代表分子在體相時的熵值；

任意狀態下的氣相熵計算在一般的化工教材中都有涉及,也可以根據NIST數據庫中標準態下的氣相熵轉化而得到

而吸附態的熵值目前沒有可以用來指導競爭吸附過程的具體計算方法，采用第一性原理首先獲得吸附相分子的振動頻率v，通過統計熱力學公式計算出吸附相上的熵值，如式(4)所示：

h,v_i,k,N分別為普朗克常量，振動頻率，玻爾茲曼常數與粒子數目；

此外，在吸附分子與吸附劑表面存在濃度依賴性構型熵，由于吸附位點的不同和吸附相表面的構型數目的不同，構型熵對吸附熵也有重要影響，如式(5)所示：

θ代表吸附表面覆蓋度，由吸附量與該物質在同溫度下的飽和吸附量的比值得到；

因此，吸附過程下考慮構型熵影響后的吸附熵變的計算公式如式(6)所示：

ΔS＝S_ads-S_gas+S_config (6)

(3)吉布斯自由能的計算：吉布斯自由能在等溫等壓自發吸附過程中的物理意義表示為吸附質分子在吸附相與最初體相中的化學勢之間的差異，其正負值可作為判斷反應的熱力學傾向，一般來說，混合組分競爭吸附過程中，誰的吉布斯自由能值越負，誰發生優先吸附的幾率就會越大；

根據基本熱力學關系式，在獲得吸附過程的焓變與熵變的基礎上，即可以求得吉布斯自由能變，如式(7)所示：

ΔG＝ΔH-TΔS (7)

由此可以獲得所需的所有熱力學評價參數。