甲烷在活性炭上的吸附平衡及充放气研究

摘要

天然气因其热值高、环境污染小、使用安全等优点受到人们的青睐。目前天然气的储运方式以长输管网运输为主，但对于一些远离气源地的中小城市，这种方式并不经济。天然气吸附储存技术(ANG)是一种比较有潜力的新型技术。将ANG作为民用城市燃气主要面临两个问题：高性能吸附剂的开发以及吸附储存系统在吸附过程中由于热效应而导致吸附效率降低的问题。本文着重从实验和模拟两方面展开研究。
　　 为了研发高性能的ANG吸附剂，本文选择比表面积为2074m2·g-1的活性炭SAC-02，在温度区间263.15K～313.15K、压力范围0～9MPa，应用Setaram PCT Pro E&E测量甲烷在SAC-02活性炭上的吸附等温线，并由D-A方程、Clausius-Clapeyron方程和Virial标绘分析了实验数据。结果表明，当压力高于0.08MPa时，确定参数后的D-A方程预测实验数据的相对误差小于5%；甲烷在SAC-02活性炭上的等量吸附热反映了甲烷在能量非均匀表面吸附的特点，数值为13.99 kJ·mol-1～17.57 kJ·mol-1，极限吸附热随温度呈线性变化，其平均值为19.43kJ·mol-1。
　　 为了研究吸附热效应对吸附性能的影响以及寻找合适的热管理措施，本文设计了一个长径比为33:20容积1260ml且中部配有U型换热管的吸附储罐，在室温条件下，研究放气速率分别为5L/min、10L/min、15L/min、20L/min时热效应对甲烷吸附存储动力学特性的影响。结果表明，充/放气过程中，吸附床温度的急剧变化都发生于整个吸附平衡过程的前10%时间段内；由于吸附床的导热能力差，轴向上的温度梯度明显小于径向上的温度梯度；实验过程中吸附床的最大温升和最大温降分别为56.3℃和40.9℃；将常温的自来水引入吸附储罐中不能有效地提高气体吸附量，但可以显著提高其有效放气时间及有效放气量。
　　 为了获得合适的模型来预测吸附剂结构、充放气速率以及热效应管理措施等对吸附性能的影响，本文结合实际充气过程，建立了简化的二维传热传质模型，采用CFD商业软件Fluent模拟了充气速率为15L/min时吸附床温度的动态变化。研究表明模拟结果与实验结果较吻合，采用的模型能较好地反映实际情况。为进一步通过模拟寻找热效应的管理措施打下了基础。

目录

文摘

英文文摘

第1章 绪论

1.1 研究背景及意义

1.1.1 研究背景

1.1.2 研究意义

1.1.3 天然气非管输技术

1.2 天然气吸附储存的研究现状

1.2.1 天然气吸附理论

1.2.2 高性能吸附剂

1.2.3 吸附热效应的研究现状

1.3 本文的研究内容及创新点

1.3.1 主要研究内容

1.3.2 本文的主要创新点

第2章 超临界温度甲烷吸附实验及理论分析

2.1 引言

2.2 超临界温度甲烷吸附实验

2.2.1 实验原理

2.2.2 实验装置

2.2.3 实验过程

2.3 结果分析

2.3.1 吸附等温线模型

2.3.2 绝对吸附量与吸附相密度

2.3.2 等量吸附热

2.3.3 极限吸附热

2.4 小结

第3章 ANG储罐的充放气实验研究

3.1 引言

3.2 ANG充放气实验装置

3.3 实验方法

3.3.1 系统检漏

3.3.2 预处理

3.3.3 实验步骤

3.4 结果分析

3.4.1 充气过程

3.4.2 热管理措施对充气过程的影响

3.4.3 放气过程

3.4.4 热管理措施对脱附性能的影响

3.5 小结

第4章 ANG系统充气过程模拟

4.1 引言

4.2 二维活性炭吸附床传热传质模型

4.2.1 质量守恒方程

4.2.2 动量守恒方程

4.2.3 能量守恒方程

4.3 二维吸附床传热传质的Fluent模拟

4.3.1 几何模型及其网格划分

4.3.2 材料物性参数

4.3.4 边界条件与阻力系数

4.3.5 吸附源项及其UDF设计

4.3.6 控制参数的设定

4.4 模拟结果及其分析

4.5 小结

第5章 总结与展望

致谢

参考文献

在学校期间发表的学术论文