（油气储运工程专业论文）天然气吸附床热质传递的数值计算.pdf

n u m e r i c a lc a l c u l a t i o no fh e a ta n dm a s st r a n s f e r i na d s o r b e n tb e df o rn a t u r a lg a s f ur o n g ( o i l & g a ss t o r a g ea n dt r a n s p o r t a t i o ne n g i n e e r i n g ) d i r e c t e db yp r o f f e n gy o n g x u n ab s t r a c t a n gi sak i n do fn e wt e c h n o l o g yt oa d s o r bn a t u r a lg a s i tc a nb eu s e dt on a t u r a lg a s v e h i c l ea n da d s o r bs o m es c a t t e r e da s s o c i a t e dg a s i tc a l ld e c r e a s et h ec o s to fm o n e y q u a n t i t y o fa n ga t3 - 4 m p ai se q u a lt ot h ec n ga t13 - 14 m p a i nc h a r g ea n dd i s c h a r g ep r o c e s s ，i t s h o w sh e a te f f e c t t h eh e a to fa d s o r p t i o ni sa b o u t16 k j m 0 1 i ti n f l u e n c e sa d s o r p t i o n c a p a b i l i t ya b o u t2 0 t h i sp a p e rm a i n l yd i s c u s s e dt h ee f f e c t so fh e a to fa b s o r p t i o nd u r i n gc h a r g ea n d d i s c h a r g ep r o c e s s t h e yw e r ea n a l y z e dt h et e m p e r a t u r ef i e l do fs t o r a g ev e s s e l ，c o m p a r i n g s e v e r a lh e a te x c h a n g e sw i t l ld i f f e r e n ts t r u c t u r e sa n dt h et e m p e r a t u r ev a r i a t i o na td i f f e r e n t b o u n d a r yc o n d i t i o n s ，i no r d e rt oo p t i m i z et h es t r u c t u r e so fs t o r a g ev e s s e la n ds u m m a r i z et h e c h a n g eo fp a r a m e t e r si na d s o r p t i o nd y n a m i c s t h em a i nc o m e n t sa r ea sf o l l o w s ： 1 t h i st h e s i sp r e s e n t e dd i f f e r e n th e a te x c h a n g es t r u c t u r e si ns t o r a g ev e s s e l t h ec f d s o f t w a r ef l u e n tw a su s e dt os i m u l a t et h et e m p e r a t u r ef i e l d si nc h a r g ep r o c e s s ；a l s oi t e v a l u a t e dt e c h n o m e t h o d st or e s t r a i nt h ee f f e c t so fh e a to fa b s o r p t i o n t h em a i np a r a m e t e r s i n c l u d e ds t r u c t u r ep a r a m e t e r so fs t o r a g ev e s s e la n dp h y s i c a lc h a r a c t e r so fa c t i v a t e dc a r b o n i t o f f e r e dg u i d a n c et oi n d o o re x p e r i m e n t so nt h e o r y 2 c o n s i d e r i n gt h ea c t u a le x p e r i m e n ts t r u c t u r e s ，a n a l y z e dt h ev a r i a t i o no ft e m p e r a t u r eo n d i f f e r e n tr a d i a lp o s i t i o n s s t o r a g ev e s s e l s 、扔t hh e a te x c h a n g i n gs t r u c t u r e sa n dw i t h o u th e a t e x c h a n g i n gs t r u c t u r e ss h o w e dd i f f e r e n tt e m p e r a t u r ef i e l d s ，a n da l s oc o m p a r e dt h e mw i t h e x p e r i m e n t a lr e s u l t s 3 t h ef o r t r a nl a n g u a g ew a su s e dt ot h ec o u p l i n gc a l c u l a t i o nb e t w e e na d s o r p t i o n e q u a t i o na n dp a r t i a ld i f f e r e n t i a le q u a t i o no fh e a tc o n d u c t i o n i n p u tt h es t r u c t u r ep a r a m e t e r s ， p h y s i c a lc h a r a c t e r sa n db o u n d a r yc o n d i t i o n s ，w ec a ng e tt h et e m p e r a t u r ev a r i a t i o n ，a b s o r b e d m a s sv a r i a t i o na n dt h ev e l o c i t yo fh e a to fa d s o r p t i o n t h es i m u l a t e dr e s u l t sr e v e a l e dt h a t d e c r e a s i n gc h a r g i n gv e l o c i t yw a sg o o dt oa d s o r p t i o no fg a s t h ep u r p o s eo ft h i sp a p e ri ss i m u l a t i n gt e m p e r a t u r ef i e l d so fd i f f e r e n th e a te x c h a n g e s t r u c t u r e si n s t o r a g ev e s s e l i no r d e rt of i n ds o m ef e a s i b l e a p p r o a c h e st o o f f s e tt h e p e r f o r m a n c el o s s t h es i m u l a t i n gr e s u l t sr e v e a l e dt h a tu s i n gh e a te x c h a n g es t r u c t u r e si n s t o r a g ev e s s e lc o u l ds i g n i f i c a n t l ym o d e r a t et h eh e a te f f e c ti nc h a r g ea n dd i s c h a r g ep r o g r e s s k e yw o r d s ：a d s o r p t i o n ，s t o r a g ev e s s e l ，t e m p e r a t u r ef i e l d ，t h e r m a le f f e c to ft h e a d s o r p t i o nh e a t ，a c t i v a t e dc a r b o n 关于学位论文的独创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在指导教师指导下独立进行研究工作所取得的 成果，论文中有关资料和数据是实事求是的。尽我所知，除文中已经加以标注和致谢外， 本论文不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含本人或他人为获得中国石油 大学( 华东) 或其它教育机构的学位或学历证书而使用过的材料。与我一同工作的同志 对研究所做的任何贡献均已在论文中作出了明确的说明。 若有不实之处，本人愿意承担相关法律责任。 学位论文作者签名：! 立叁同期：刃d g 年占月膳同 学位论文使用授权书 本人完全同意中国石油大学( 华东) 有权使用本学位论文( 包括但不限于其印 刷版和电子版) ，使用方式包括但不限于：保留学位论文，按规定向国家有关部门( 机 构) 送交学位论文，以学术交流为目的赠送和交换学位论文，允许学位论文被查阅、 借阅和复印，将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，采用影印、 缩印或其他复制手段保存学位论文。 保密学位论文在解密后的使用授权同上。 学位论文作者签名：丛基 指导教师签名： 4 蚪 日期：幻。岳年s 月f 占闩 f 1 期：2 c ) o 苫年6 月“日 中国石油大学( 华东) 硕上学位论文 1 1 研究的背景及意义 第一章绪论 天然气富含8 5 - - 9 5 甲烷气体，是理想的清洁燃料，其燃烧不仅效率高，而且 c o 、n o x 、s 0 2 和c 0 2 排放量比其它矿物燃料明显减少。因此，扩大天然气利用领域将 有效地降低环境污染。 目前我国能源消费以煤为主，占7 2 ，而天然气仅占2 5 ，所占比例远低于世界 平均水平( 2 5 ) ，也低于亚洲平均水平( 8 8 ) 。目前世界人均消费天然气4 0 3 m 3 年，而 我国仅为2 5 m 3 年。我国天然气主要用于化工、油气田开采和发电等领域，在天然气消 费中所占比例为8 7 以上，其中化肥生产就占了3 8 3 。居民用气在天然气消费结构中 所占比例不到1 1 。据预测，2 0 0 5 年我国天然气需求量约6 1 0 亿立方米，天然气在一 次能源消费结构中所占比例将增加到5 。 各国专家学者纷纷开发天然气利用的新技术，其中将天然气作为汽车燃料无疑是新 的研究热点。但是，与液体燃料相比，天然气的最大缺点是能量密度太低，在常温常压 下l l 天然气完全燃烧释放4 0 k j 的热量，仅为汽油的0 1 l 。将天然气作为汽车燃料的 关键是增加天然气的存储密度。增加天然气存储密度主要有液化( l n g ) 、压缩( c n g ) 和 吸附( a n g ) 3 种方法。其中吸附天然气成为天然气储存方式研究的一个新热点。 吸附天然气( a n g ) 就是在储存容器中填充吸附剂，利用吸附剂微孔表面对气体的吸 附作用增加容器储存气体的密度，如图1 1 所示，与压缩天然气( c n g ) 相比，吸附天然 气( a n g ) 具有如下优势： ( 1 ) 加气充装设施只需采用单级压缩机，投资与操作费用明显降低； ( 2 ) 储存容器材质要求不高，单位容积的容器造价低； ( 3 ) 储气瓶形状选择余地大，空间利用率高； ( 4 ) 低压储存的减压系统简化，系统工程造价明显降低。 第一章绪论 - 筮_ 繇 萎憎 叠 - 压力( m p t ) 图1 - 1a n g 的储存原理图 f i g l - 1t h e o r yo f a n g 由此可见，吸附天然气( a n g ) 是未来天然气储存的发展方向。它不仅能用于天然气 汽车的燃料供应，而且能用于小型零散天然气的回收与利用。我国一大批天然气井口压 力在5 m p a 以上，输气管干线的压力在4 m p a 以上，可直接从管网向吸附剂储罐充气， 这既可减少电耗，也节省投资。所以，a n g 技术具有广泛的发展前景和研究意义。 1 2a n g 技术简介 天然气的主要成分是甲烷，一般甲烷的体积分数大于9 0 。甲烷的临界温度低f 8 2 6 ) ，常温下不能液化，因此要采用高压以增加其气相密度，即c n g 。由于甲烷在吸附 剂上的吸附相密度要比其气相密度高几个数量级，所以在存储容器中加入吸附剂时，尽 管由于吸附剂的固体骨架的存在而会失去部分存储空间，但总的效果仍是显著地提高了 天然气存储密度。与吸附分离不同，a n g 存储是利用吸附剂表面吸附相的高密度，而 吸附分离是利用吸附剂表面的吸附选择性。甲烷是球形的非极性分子，与吸附剂之间的 范德华力只有色散力，因而吸附剂表面的极性对吸附过程影响很小，其吸附量主要取决 于吸附剂的微孔体积和比表面积。虽然有用分子筛作吸附介质的研究，但己制得的高比 表面积的活性炭更有潜力。目前的研究主要集中于利用富含微孔的高比表面积活性炭作 吸附剂| 1 1 。 a n g 吸附剂的性能通常以一定条件下的吸附体积和释放体积表示，即2 5 、3 5 m p a 条件下，单位体积德吸附机所能存储和释放的标准状态下甲烷的体积。存储容量和释放 容量包含了吸附相及密闭空间中气相的贡献。资料表明，在3 5 m p a 压力下，a n g 的存 储量接近于1 3 - - - 1 5 m p a 下的c n g 的存储量l2 | 。 2 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 1 3 吸附天然气的研究进展 1 3 。l 吸附剂的研究现状 美国a m o c o 公司制造的牌号为a x 2 1 用氢氧化钾活化的活性炭，比表面积达 3 0 0 0 m 2 g 、在3 5 m p a 、2 5 时甲烷吸附贮存量可达1 4 4 v v ；由公司制备的另一种高比 表面积g x 3 2 活性炭，采用合适的装填方法在3 5 m p a 、环境温度下使甲烷的吸附量达 到1 6 0 v v 3 1 。石油大学和大庆能源技术开发公司合作，以木质素为原料制备的粉炭吸附 剂的最高比表面积可达2 9 1 2 m 2 g ，在6 0 m p a 下，2 5 的储气条件下对甲烷的吸附能力 可超过3 0 ；以石油焦为原料制取的块状吸附剂其比表面达2 3 9 9 m 2 g ，在4 0 m p a 下， 2 5 时，甲烷的吸附量为1 7 5 ，体积比为1 4 8 v v | 4 l 。 刘海燕i 等人研究了甲烷吸附量和活性炭比表面积大小的关系。结果显示，只有在 一定范围内吸附量才随活性炭的比表面积的增加而增加，超过这个范围，吸附量的增大 趋势减缓甚至下降。甲烷的减压脱附量及其吸脱附比例也呈类似趋势。 1 3 2 吸附脱附过程的热效应问题 吸附热效应是天然气吸附储存投入工程应用的一大障碍，吸脱附过程当中的放热、 吸热现象极大的降低了吸附系统的动态储存量。在常温快速充气时，床层有较大的温升； 在常温快速脱附时，床层中心的温度大幅度下降，极大的增加了甲烷的残存量【6 j 。 早在1 9 8 6 年，r e m i c k 等就对天然气吸附储存系统的吸附热现象进行了实验上的研 究，r e m i c k 利用容积l l 的储气瓶，内装储存容量为1 0 0 v v 的颗粒活性炭，常温下快 速充气时( 0 3 5 m p a ) ，床层温升达8 0 。c ，储存容量比等温存储量减少了2 5 ；快速放 气时温度可下降至- 4 0 ，而数小时或隔夜慢速充气时的存储容量可达到等温储存容量 1 7 - 9 1 o c h a n g 等人1 1 0 1 运用g 2 t e c 公司的天然气储罐对脱附过程的吸热现象进行了试验研 究。试验结果表明，在非绝热快速脱附的条件下( 1 5 1 0 u m i n ，环境温度为1 8 2 2 c ) ，储 罐中心的温降可达3 7 。c ，脱附性能比等温条件下损失2 5 。在中等脱附速率下，损失值 约为1 5 2 0 。该试验还发现，在脱附过程中，吸附储罐轴向上不存在明显的温度梯 度，温度梯度主要存在于径向上，储罐中心的温度可低达3 0 - 4 0 c ，而接近储罐外壁 的温度仅为1 0 左右。在等温( 1 8 ) 脱附的条件下，有3 0 的甲烷残留在储罐中。当快 速脱附时，储罐中心的甲烷残存量可达5 4 。 众多研究结果表明：低压吸附贮存天然气用作汽车替代燃料，吸附热对其吸附量有 3 第一章绪论 着及其重要的影响。这是因为，当吸附时间足够短时，等温吸附过程则转化为绝热吸附 过程【。引。此时吸附体系得温度升高，吸附贮量降低。为此，研究天然气吸附剂的吸附 热对其吸附贮量的影响就十分迫切了。 实验已测出，绝热充气时引起的活性炭温升为5 5 ，其吸附容量减少2 0 ；解吸 引起的温降，使吸附剂在还吸附有8 3 18 ：5 甲烷时就停止解吸。根据资料报道，降低 吸附热效应影响的方法主要有以下几种：在吸附床层内埋放t e s 储能元件，如将水合 盐封装于细金属管中就构成了t e s 元件。水合盐的脱水或水合反应的反应热即可缓解吸 附床的温升或温降。这种方法可同时保证充气和放气过程都接近等温，与绝热充气过程 相比，这种方法可增加5 4 的存储容量。但是这种元件占有一定的床层体积：通过合 理设计储存容量，依靠吸附剂与储器之间的接触面强化传热；循环换热法，通过在储 器内设置换热管道，在充放气过程中利用外界的冷源或热源进行热交换，使在充放气过 程中床层温度保持基本一致f 1 4 1 ；气体进入吸附床前，经换热器进行预冷；在接近等 温的条件下慢速充气，这需要较长的充气时间；采用传热性能良好的型炭，它与颗粒 状的活性炭相比，传热性能可以改善6 0 。 实际上对于面向n g v 的a n g 技术来说，放气时的热效应可能比充气时更重要。 因为充气一般是在加气站完成的，可以建立必要的装置及时移去吸附热，而且对于停放 比较集中的车队或公交车还可以采取慢充的方法；而放气速度是由发动机的功率需求决 定的，放气时间不可任意改变。曾经研究利用发动机尾气或电加热器供热的可能性。 1 3 3 储存容器的研究进展 目前设计的天然气低压吸附储存容器的结构形式主要有三种，第一种是由英国 r o l l r o y c e 公司研制的内装块状活性炭的扁平状储气瓶，可以强化外界与吸附剂床层间 的换热，并且便于在汽车上灵活放置。内部具有蜂窝状构造的平底结构形式，如图1 2 所示。 4 十国 学( 华东) 倒l 学位论i 圉1 3a g l a r g 设计的弧项蜂窝窖器 f i g i - 3 a r cc e l lc o n t a i n e r d e s i g n e db y a g l a r g 另外由a g l a r g 设计的圆弧顶的蜂窝状吸附容器也具有相同的优点，散热好及便 于安装。第二种孙是加工成非圆柱形的平底结构形式并可以与汽车的主体连在起。 容器装有内拉条中间孔道装活性炭吸附材料将铝合金材料用先进的挤压工艺制造， 以降低成本，减轻重量，提高强度和使用寿命。现在正由b r i t i s h g a sp i c 设计； 以上两种形式的容器适月j 于装填传热性能良好的型炭吸附荆。当使用颗粒状活性炭 吸跗剂时，i g t 初步设计了具有t e s 系统的储存容器，如图卜4 所示，该容器是由一个 模压的壳体，一个中心多孔的分配管，集气管构成。t e s 管的尺寸、数量和位筲山活陛 第一章绪论 炭床和相变物质的静态和动态性能来确定1 1 5 】。 凸擐 图1 - 4 具有t e s 系统的天然气吸附容器 f i g1 - 4 a n gc o n t a i n e rw i t ht e ss y s t e m 1 4 论文的研究内容 在吸附过程中，吸附速率、温度、压强、流体动力学参数是相互影响的，表现出很 强的耦合作用。本文采用数值计算方法对此进行研究，在进行分析时，有必要对过程进 行相应的简化。运用计算机模拟的数据，将以温度的变化对吸附过程的负面影响最小为 目标，分析各种对温度变化产生影响的因素，并对其因素进行优化。论文将在如下几个 方面开展工作： ( 1 ) 对圆筒罐和加强化传热结构的圆筒罐进行模拟计算 建立圆筒罐的传热过程的数学模型，采用数值方法对具体结构进行传热计算，探讨 影响储气罐中温度分布的主要因素，以寻求抑制吸附热效应的技术措施。 ( 2 ) 对加螺旋形和环形肋片的圆筒罐进行模拟计算 螺旋形肋片具有换热面积大的优点，环肋在工程实际中也较常见。于是模拟计算加 螺旋形和环形肋片的圆筒罐的温度场分布，并比较三种肋片的优缺点。 ( 3 ) 天然气吸附脱附过程的特性研究 根据实验装置结构，建立物理模型。分析在吸附脱附过程中温度场随时间变化的规 律。 ( 4 ) 热质耦合计算 对吸附罐中传热和吸附进行耦合计算，考察不同充气速率下温度和吸附量的变化规 律。 6 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 第二章天然气吸附热效应的实验研究 2 1 大型圆筒型吸附罐吸附脱附过程的实验研究 实验主要是为了考察吸附热效应对a n g 存储过程的影响，包括对吸附储罐充气和 放气过程的影响，以粉炭为吸附剂，装置中采用螺旋肋片+ 冷却管。实验气体为9 9 9 9 的甲烷气。 2 1 1 实验装置结构及参数的测量 吸附罐近似圆柱形结构，由钢铁加工而成，内径为3 0 0 m m ，长为4 0 0 r a m ，筒壁厚 为1 0 m m 。吸附空间体积约为3 0 l 。罐的四周有热电偶，分上、中、下三层，每层有四 个，可以测量不同床层深度的温度。吸附罐中心装有冷却管，螺旋形肋片与冷却管相连。 实验装置如图2 1 所示： 隔 图2 - 1 大型圆筒型储罐结构图 f i g2 - 1 g o o d s i z e da n dc y l i n d e rs t o r a g ev e s s e ls t r u c t u r e 参数测量： 压力测量：标定罐和吸附罐的压力测量皆采用压力传感器测量，型号为罗丝蒙特压 力，就可以直接读取压力数值，同时采用数据采集板进行采集。非常方便、精确。 温度测量：气体温度和吸附剂的温度采用简易铠装k 型热电偶，测量元件的直径为 4 m m ，为解决密封问题，热电偶带有硬密封件，实验说明该方式密封达到要求。测点分 径向和轴向两个方向布置，分别观察吸附剂在吸附过程中在径向和轴向的分布规律。 容积测量：测量的方法采用气体扩容的方法进行测量，即将装有一定质量的无吸附 7 第二章天然气吸附热效应的实验研究 作用气体的标定罐与空罐相混合，测得压力的变化，再通过克拉贝龙方程计算获得。测 量在等温条件下进行，且保持压力平衡2 0 分钟。装入吸附剂，然后采用同样的方法再 次测量压力与温度，记下数据。根据数据计算出吸附罐中压缩空间的容积。 数据采集：数据测量系统由测量仪器、采集板和微机组成，采集板采用英国 s c h l u m b e r g e r 公司生产的i m p 数据采集板，可以同时采集温度信号和压力信号，且温度 信号的引入不需温度补偿，数据通道多。 2 1 2 实验结果 以甲烷气体为吸附质，吸附材料课题组制备的粉体超级活性炭为吸附剂。环境的干 球温度和湿球温度皆为2 4 5 。充气时，将高压气瓶中气体经减压，先导入2 个标定罐， 等标定罐压力稳定时，将气体排到吸附罐，同时开启数据采集。充气过程大约为2 0 - - 一 3 0 m i n ，控制吸附罐的压强为3 5 m p a 左右，保持压力平衡2 0 m i n 左右。然后进行放气过 程，放气时将吸附罐与放气罐之间的阀门打开，进行放气。当放气罐与吸附罐压力相当 时，关闭阀门，将放气罐的气体放空。然后再进行放气过程。由放气曲线看出，中间出 现一段平缓地直线，这就是由于放气过程间断造成的。导入放气罐的目的主要是为了计 算放出的气量。 实验系统如下图2 2 所示： 图2 - 2 天然气吸附储存实验装置系统图 f i 9 2 2s y s t e mo fe x p e r i m e n te q u i p m e n tf o rn a t u r a lg a sa d s o r p t i o n 实验的充气速度是通过阀门来控制气体的流量，本次实验的充气速率为 1 1 3 7 5 l m i n ，温度随时间的变化曲线如图2 3 所示。由图看出，充气时间约为1 0 0 0 s 。 各个点的温度都在这个时刻达到最高值。其中最高温升出现在c h a n n e l 0 8 中，温度 从初始的1 1 升至5 8 ，温升达4 7 ；c h a n n e l 0 4 、0 6 温度上升幅度较低，温升为 8 羽! 裂 ，。二，卜，h，。，。，。， 谚 傍 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 2 5 左右，c h a n n e l 0 5 温度上升的幅度最小。 艏 5 0 4 5 4 0 p 3 5 越 赠2 5 2 0 1 5 o 5 u烈1 u 1 a 朋z o u oz 驯 时间( s ) 图2 - 3 吸附过程温度随时间的变化曲线 f i g2 - 3t e m p e r a t u r et r e n dd u r i n gt h ec h a r g ep r o c e s s 图2 4 为脱附过程温度随时间的变化曲线。由图可以看出，放气时间约为1 8 0 0 s ， 脱附过程的最大温差出现在c h a n n e l 0 8 ，由初始的3 5 降至1 8 ，温降幅度达5 3 。c 。 其次是c h a n n e l 0 4 、0 6 ，温降为3 0 。c h a n n e l 0 5 温度变化的幅度最小。图中有段与 x 轴平行的一段直线，这是在放气罐中缓冲的过程。可以看出脱附过程温度变化幅度 所呈现的趋势与吸附过程基本相同。 时间( s ) 图2 - 4 脱附过程温度随时间的变化曲线 f i g2 - 4t e m p e r a t u r et r e n dd u r i n gt h ed i s c h a r g ep r o c e s s 2 2 中型吸附罐吸附脱附过程的实验研究 2 2 1 实验装置结构 吸附罐材料由不锈钢加工而成，吸附罐的外径为1 5 9 m m ，厚度为6 m m ，其中冷却 管的外径为2 7 m m ，壁厚为4 m m ，并伴有循环水换热。计算得到吸附罐的有效容积约为 9 拍为侣竹0 o伯侣为 p v 越赠 第二章天然气吸附热效应的实验研究 5 4 l 。换热结构采用六根肋片的形式，肋片高度为4 0 r a m ，厚度约为l m m 。如图2 5 所 示，装填活性炭采用成型活性炭。 2 3 1 - f i n 2 - c i r c u l a t i n gp i p e 3 - f l a n g e 4 - i n l e t5 - o u t l e t 图2 5 中型吸附罐结构图 f i g2 - 5 m e d i u m s i z e ds t o r a g ev e s s e ls t r u c t u r e 2 2 2 实验结果 实验步骤：吸附罐的结构采用图2 5 所示的结构，实验系统也稍作修改。装置主要 包括一个甲烷气瓶、两个标定罐、一个吸附罐、一个导出罐。实验步骤主要分以下几步： ( 1 ) 打开气瓶阀门，将甲烷气体导入两个标定罐，充入标定罐气体的压强约为 4 1 m p a 。 ( 2 ) 缓慢的打开连接标定罐与吸附罐的阀门，将气体缓慢的充入吸附罐，阀门开度尽 量小，控制气体流量。当标定罐和吸附罐两者达到平衡时( 压强相等) ，表明充气过程结 束。然后平衡2 0 分钟左右。 ( 3 ) 放气时，先将储罐内的气体导入放气罐中，放气罐里的压强与储气罐相当时，停 止储罐的放气，记录下放气罐的压强后，将气体放空，然后再打开储罐与放气罐之问的 阀门，进行放气，直至储气罐内的气体压强为常压。 对这种装置结构进行了多次实验，主要考虑充气速率对吸附热效应的影响，也考虑 了换热结构对温度的影响。在实际的充气过程中，充气速率的大小只能通过阀门控制， 实际操作中充气速率很难保持一致。图2 6 是实验过程的充气速率随时间的变化曲线， 由图看出，充气速率出现不规则的变化，随着时间出现小范围的振荡。所以充气速率只 能是计算一段时间的平均值。 1 0 中国石油大学( 华东) 硕：七学位论文 p3 0 0 7 w 1 1 啪詹 图2 6 充气速率随时间的变化曲线 f i g2 - 6c h a r g i n gm a s sr a t ec h a n g ea l o n gt h et i m e 然后考察充放气过程温度随时间变化的情况。在实验过程中，先考察加换热结构对 温度的影响。将冷却水管打开，进行循环换热。 u，1 u1 0z uzb：，) t i m * 朋l m - 图2 7 充气过程温度随时间的变化( 有换热) f i g2 - 7t e m p e r a t u r et r e n dd u r i n gt h ec h a r g ep r o c e s s ( w i t hh e a te x c h a n g e ) 由图2 7 可以看出，整个实验过程温度变化很大，充气时间约为5 m i n ，根据缓冲罐 压强的变化，计算得到平均充气速率为8 4 l m i n 。最高温度出现在c h a n n e l 0 5 和 c h a n n e l l 0 ，温度由3 0 升到最高温度6 7 ，温升达3 7 。温度变化幅度最小的是 c h a n n e l 0 7 ，温度由2 8 升到4 0 ，温升为1 2 。c h a n n e l l 4 温度由3 0 升到5 7 ，温 升为2 7 。在充气完成后，最高温度的点c h a n n e l 0 5 和c h a n n e l l 0 下降地很快。由此可 知，加换热结构能够改善热效应。 髓 船 伯 o 工夏一一童u尊冒， 粥 蛳 蕃 季 猫 番 m 罩i；声 第二章天然气吸附热效应的实验研究 3 4 0 5 3 0 墨兰 ；1 5 f 0 芦0 5 ： 口，1 q1 0z uz ，j uj ， t m e ，m i n 图2 - 8 放气过程温度随时间的变化( 有换热) f i g2 - 8t e m p e r a t u r et r e n dd u r i n gt h ed i s c h a r g ep r o c e s s ( w i t hh e a te x c h a n g e ) 由图2 。8 可以看出，放气时间约为1 5 分钟左右。最低温度出现在c h a n n e l l 0 和 c h a n n e l 0 5 。温度由3 0 降到最低温度1 0 ，温降达4 0 。c h a n n e l 0 7 的温降最小，约 为1 0 。可以判断c h a n n e l 0 7 位置位于冷却管附近，c h a n n e l 0 5 和c h a n n e l l 0 位置位于 储罐的中心位置，在放气完成后，温度明显上升，换热效果显著。由此可知，热效应在 一噩不充颓贯冈石珥咦日f 常豆瞢前前循环永能够有效的减缓吸衬热效应_ 考察不加换热结构时，将冷却水管关闭，不进行循环换热。观察其温度变化，并比 较与加换热结构之间有何不同。 u o1 0 1 ， w 耵m w m i n 图2 - 9 充气过程温度随时间的变化( 无换热) f i g2 - 9t e m p e r a t u r et r e n dd u r i n gt h ec h a r g ep r o c e s s ( w i t h o u th e a te x c h a n g e ) 由图2 - 9 可以看出，在实验的过程中，将冷却水管关掉，不进行换热。然后进行充 放气过程的实验。整个过程充气时间很短，在5 分钟之内。实验过程中没有流量计，所 以充气速率很难控制。c h a n n e l 0 5 和c h a n n e l l o 点的温度在快速充气时迅速升高，最高 温度仍然为6 7 。c ，在充气完成后出现缓慢的下降。c h a n n e l 0 7 点的温度在整个过程中一 1 2 蛳 蛳 鼬 暑l 掰 瑚 m m 蛳 湖 搿 y、芒暑芒4e鲁上 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 直缓慢地上升，逐渐趋于平缓，最高温度约为5 0 ，并且超过c h a n n e l l 4 点的温度。这 与加换热结构的情况有很大差别。c h a n n e l l 4 点的温度变化与加换热结构的情况基本相 同。 在快速充气过程中有无换热结构对吸附床最高温度的影响不大。原因归纳为：充 气过程时间较短，吸附热瞬间释放的热量很大。周理【l6 j 利用a x 2 1 活性炭进行了吸附 储存天然气的研究，得出a x 2 1 活性炭吸附储存天然气的平均吸附热为1 6 5 k j m o l 。傅 国旗根据吸附等温线计算出等量吸附热和极限吸附热分别为1 8 5 k j m o l 和 2 0 2 k j m o l i ”1 。吸附剂的导热性能很差，粉体活性炭的导热系数约为0 1 w m k ，型体 活性炭的导热系数为0 2 w m k 。导热性能差是吸附剂存在的一大问题。 但是经过计算表明，加换热结构时吸附床的平均温度要小于不加换热结构时的吸附 床平均温度。所以加换热结构在充放气过程中也起到一定的作用。 在平衡的过程中，c h a n n e l 0 5 和c h a n n e l l 0 点的温度与加换热情况有所差别，加换 热结构时温度下降较快，不加换热结构时，温度下降较慢。c h a n n e l 0 7 点的温度在快速 充气后出现缓慢上升，而在加换热结构时，温度出现下降的趋势。c h a n n e l l 4 点的温度 在这两种情况下，变化趋势近似相同。 d24o尊1 u1 z1 41 口1 0邪盈2 4 t i m e ，m i n 图2 1 0 放气过程温度随时间的变化( 无换热) f i g2 - 1 0t e m p e r a t u r et r e n dd u r i n gt h ed i s c h a r g ep r o c e s s ( w i t h o u th e a te x c h a n g e ) 如图2 1 0 所示，温度由5 0 降低到5 。c ，温降高达4 5 ，放气时间约为2 0 分钟， 无换热结构的温降比加换热结构的温降要大。 可以看出，加换热结构对于减小热效应的不均匀性有一定的作用，而且时间越长， 换热结构的作用越明显，下面对这两种情况进行比较。 1 3 渤 粥 黜 粥 m 昌 锄 獬 撕 撇 瑚 m )i、g，芭9d岳卜 第二章天然气吸附热效应的实验研究 7 5 7 0 6 5 6 0 5 5 5 弱 。艏 蓄一。 3 5 2 5 2 0 时间( s ) 图2 u 有换热结构和无换热结构的温度变化 f i g2 1 1c o m p a r i s o nb e t w e e nh e a te x c h a n g ea n dn oh e a te x c h a n g e 如图2 “所示，不加换热结构时，c h a n n e l 0 7 位置上的温度一直呈上升的趋势，热 效应显著。加换热结构，温度快速升高到某点后，缓慢下降。在平衡过程中，c h a n n e l 0 5 、 c h a n n e l 0 6 位置上的温度在加换热结构时温度下降的较快，而不加换热结构时温度下降 的较慢。综上所述，储罐内安装换热结构对减小热效应有一定的作用，只是在一段时间 后才能有较明显的效果。 下面考虑充气速率对热效应的影响：实验进行了不同充气速率的吸附过程，考察了 1 4 船“救强m匏舱箍勰 p v 越赠 中国石油大学( 华东) 硕七学位论文 温度变化的趋势和规律性。下面为c h a n n a l 0 5 在有无换热结构的情况下，充气速率为 8 4 l m i n 、3 2 l m i n 、2 4 l m i n 温度的变化曲线。 考 倒 蛹 a 、c h a r g i n gm a s sr a t ei s8 4 l m i n b 、c h a r g i n gm a s sr a t ei s3 2 l r a i n 萄 辩 ， 时间t ( s ) c 、c h a r g i n gm a s sr a t ei s2 4 l r a i n 蠡 一 苎 f 第二章天然气吸附热效应的实验研究 d 、t e m p e r a t u r eu p t a k ea tt h r e ed i f f e r e n tc h a r g i n gm a s sr a t e 2 1 2 不同充气时间的温度随时间的变化 f i g2 1 2t e m p e r a t u r et r e n da td i f f e r e n tc h a r g i n gm a s sr a t e 由图2 1 2 可以看出，不同的充气速率使得温度上升的快慢不同，充气速率越小， 温度上升的越慢，达到最高温度的值越小，充气速率为2 4 l m i n 与充气速率为8 4 l m i n 相比，最高温度下降了i o o c 左右。结论：充气速率对温度的影响很大，延长充气时间， 能有效的改善热效应。 2 3 本章小结 本章实验主要考察了两种不同结构的吸附罐的充放气过程，实验获得了充放气过程 的温度曲线。结果表明： ( 1 ) 对中试型吸附罐的充放气过程进行了实验研究。研究表明：在充气过程中，温度 由1 1 上升到5 8 。c ，温升高达4 7 c 。在放气过程中，温度由2 4 下降到1 7 。c ，温降 为4 2 。 ( 2 ) 对中试型吸附罐充放气过程进行了实验研究。实验获得了加循环水和不加循环水 的两种情况下吸附床温度的变化。 a 、加循环水的情况：充气时间为5 分钟，温度由3 0 升到的最高温度6 7 ，温升 达3 7 c 。最高温度出现在储罐的中心位置。温度变化最小的是在冷却管附近的位置上。 放气时间约为1 0 分钟左右。温度由3 0 c 降到最低温度1 0 * c ，温降达4 0 。c 。温差最大 和最小的位置与充气过程相同。由温度的变化曲线可以判断，加换热结构能够改善热效 应。 b 、不加循环水的情况：在快速充气过程几乎没有差别，充气完成后，温差最小的 1 6 中囝石油大学( 华东) 硕士学位论文 点温度仍然有所上升。而最高温度的点温度下降地很慢，这与加换热结构的情况相比有 很大差别。放气时间约为2 0 分钟，温度由5 0 降低到5 ，温降高达4 5 。c 。无换热结 构的温降比加换热结构的温降要大。 c 、加循环水对短时间的充气和放气过程影响不大，随着时间的增长，换热效果越 明显。 ( 3 ) 不同的充气速率对温度的影响很大，减小充气速率，能有效地降低吸附床的最高 温度。 1 7 第三章圆筒型吸附罐温度场的模拟计算 第三章圆筒型吸附罐温度场的模拟计算 天然气在多孔活性炭表面上吸附脱附过程中由于分子间的范德华力的作用而表现 出放热与吸热的现象，这个现象使得多孔活性炭的温度升高或者降低而阻碍着吸附与脱 附过程的顺利进行，引起了严重的负面效应，这个负面效应一般称之为热效应。为了解 决这个热效应，本文研究多孔活性炭的传热特性。 本文从两个方面研究多孔活性炭的传热特性：一是采用传热理论建立简化的传热模 型，进行定性分析：二是采用数值方法对具体的结构进行传热计算，探讨影响活性炭中 传热的主要因素，以解决或者降低吸附热效应对吸附过程脱附过程的影响。 3 1 吸附原理 吸附作用又称吸着作用，是两相交界面上物质分子浓度自动发生变化的自然现象。 吸附体系由吸附剂和吸附质组成，具有一定吸附能力的材料称为吸附剂，将被吸附的物 质称为吸附质。通常在室温、低压( 6 m p a ) 的条件下，气体能够自动吸附在- 多- t l 材料的 内表面，且主要发生的是物理吸附。吸附作用发生的原因是由于气体分子与固体吸附剂 原子之间的作用力。图3 1 所示为吸附剂的吸脱附基本行为【1 8 】。 图3 1 吸附过程 f i g3 - 1 a d s o r p t i o np r o c e s s 根据这一原理，选择适宜的吸附剂可以实现天然气的吸附储存，达到在相对较低压 力下得到较高天然气体积能量密度的目的。当储罐压力低于外界压力时，气体被吸附在 吸附剂固体微孔的表面，借以储存；当外界的压力低于储罐的压力时，气体从吸附剂固 体表面脱附而出以供应外界需要。 ( 1 ) 固体表面产生吸附作用的原因 1 8 中国石油