天然气吸附床热质传递的数值计算

论文摘要

ANG技术是一项先进的储气技术，该技术可用于天然气吸附剂汽车、无法管输零散气井天然气、放空天然气的吸附回收，可极大地利用与节约资源。ANG在3~4MPa下，储气量相当于压力为13~14MPa的CNG系统。在吸附/解吸过程中，由于吸附质分子势能的改变，会伴随着放热/吸热现象。研究表明其吸附热可达16kJ/mol，对吸附性能的影响有20%左右。本文主要着重于吸附过程中的热效应，从吸附罐的温度场分布，几种换热结构的对比，以及不同边界条件下吸/脱附过程温度变化几个方面来展开工作，力求对吸附罐进行优化设计，得到吸附动力场中各参数的变化规律，主要内容如下：1、运用Fluent软件对不同换热结构的吸附罐的温度场进行分析计算。并就各种可能抑制吸附热效应的技术方案进行评估。主要分析了吸附罐的结构参数和活性炭的物性参数对温度的影响，为室内实验提供了理论指导。2、结合实验装置的结构尺寸，分析在吸附/脱附过程中不同径向位置上的温度变化特性。通过对冷却管中加循环水(有换热)和无循环水(无换热)两种情况的比较，分析换热对温度场的分布的作用效果。并进行了与实验数据的对比验证。3、运用Fortran编程将吸附方程与传热方程耦合进行计算，输入已知的结构参数、物性参数和边界条件，获得了温度、吸附量和吸附热速率随时间变化的规律。计算结果表明，充气速率越小，越有利于吸附。本文对吸附罐内不同的强化换热结构（直肋、螺旋形肋片）进行模拟计算，以寻求减缓热效应的有效措施。模拟结果表明采用换热结构对减缓吸附/脱附过程的热效应有一定的作用。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 研究的背景及意义
• 1.2 ANG 技术简介
• 1.3 吸附天然气的研究进展
• 1.3.1 吸附剂的研究现状
• 1.3.2 吸附/脱附过程的热效应问题
• 1.3.3 储存容器的研究进展
• 1.4 论文的研究内容
• 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
• 2.1.1 实验装置结构及参数的测量
• 2.1.2 实验结果
• 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
• 2.2.2 实验结果
• 2.3 本章小结
• 第三章 圆筒型吸附罐温度场的模拟计算
• 3.1 吸附原理
• 3.2 吸附床温度场的定性分析
• 3.3 圆筒型吸附罐的结构研究
• 3.3.1 简单的圆筒罐
• 3.3.2 简单的圆筒罐+中间冷却管
• 3.3.3 简单的圆筒罐+中间冷却管+肋片
• 3.3.4 影响温度的因素
• 3.3.5 装填型炭的吸附罐温度场计算
• 3.4 本章小结
• 第四章 其他换热结构吸附罐温度场的模拟计算
• 4.1 螺旋形换热结构的温度场计算
• 4.1.1 网格划分
• 4.1.2 计算结果及分析
• 4.1.3 影响温度的参数
• 4.2 环肋换热结构的温度场计算
• 4.2.1 网格划分
• 4.2.2 计算结果及分析
• 4.3 本章小结
• 第五章 天然气吸附过程特性研究
• 5.1 吸附模型
• 5.1.1 朗缪尔单分子层吸附理论及吸附等温式
• 5.1.2 多分子层吸附理论——BET 公式
• 5.2 中型储罐吸附/脱附过程的数值模拟
• 5.2.1 计算结果及分析
• 5.2.2 模拟结果与实验结果对比
• 5.3 大型储罐吸附/脱附过程的数值模拟
• 5.4 热质传递耦合计算
• 5.4.1 数值计算的步骤及方法
• 5.4.2 吸附过程热质耦合计算
• 5.5 本章小结
• 结论与建议
• 参考文献
• 致谢