付 榮　常 琳　王安鵬

中國石化勝利油田分公司技術(shù)檢測中心

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天然氣吸附罐吸附過程溫度場的數(shù)學(xué)模擬及實驗研究

付 榮常 琳王安鵬

中國石化勝利油田分公司技術(shù)檢測中心

ANG技術(shù)是一項先進的儲氣技術(shù)。在吸附/脫附過程中，由于吸附質(zhì)分子勢能的改變，會伴隨著放熱/吸熱現(xiàn)象。研究表明,其吸附熱可達16 kJ/mol，對吸附性能的影響有20%左右。著重從吸附罐的溫度場分布、有無換熱結(jié)構(gòu)的對比，討論了吸附過程中的熱效應(yīng)，分析了在吸附/脫附過程中不同徑向位置上的溫度變化特性以及換熱對溫度場分布的作用效果，并與實驗數(shù)據(jù)進行了對比驗證。結(jié)果表明,采用換熱結(jié)構(gòu)對減緩吸附過程的熱效應(yīng)有很好的作用。

吸附吸附罐溫度場吸附熱效應(yīng)活性炭

1　研究背景及意義

1.1ANG技術(shù)簡介

目前，我國儲存天然氣主要有液化、壓縮和吸附3種方法。其中，吸附天然氣(ANG)成為天然氣儲存方式研究的一個新熱點。

ANG是在儲存容器中填充吸附劑，利用吸附劑微孔表面對氣體的吸附作用增加容器儲存氣體的密度[1]。與壓縮天然氣(CNG)相比，ANG具有如下優(yōu)勢：①加氣充裝設(shè)施只需采用單級壓縮機，投資與操作費用明顯降低；②儲存容器材質(zhì)要求不高，單位容積的容器造價低；③儲氣瓶形狀選擇余地大，空間利用率高；④低壓儲存的減壓系統(tǒng)簡化，系統(tǒng)工程造價明顯降低。

由此可見，ANG是未來天然氣儲存的發(fā)展方向，適用于天然氣大規(guī)模存儲，如天然氣生產(chǎn)過程中的存儲和天然氣的運輸，可極大地利用與節(jié)約資源。ANG在3～4 MPa下，儲氣量相當于壓力為13～14 MPa的CNG系統(tǒng)。所以，ANG技術(shù)具有廣泛的發(fā)展前景和研究意義[2-3]。

1.2吸附/脫附過程的熱效應(yīng)問題

活性炭之所以能產(chǎn)生吸附，主要原因是固體表面上的原子力場不飽和，有表面能，因而可以吸附某些分子以降低表面能?；钚蕴康奈阶饔脤儆谖锢砦?，吸附力是分子間力，它相當于氣體分子在固體表面上的凝聚,吸附無選擇性,吸附速度快，易平衡，而且不需要活化能，吸附層是單或多分子層，吸附具有可逆性。吸附熱的定義：在吸附過程中的熱效應(yīng)稱為吸附熱。研究表明，其吸附熱可達16 kJ/mol[4-6]。

2　天然氣吸附床熱質(zhì)傳遞的數(shù)值計算

在吸附過程中，吸附速率、溫度、壓強、流體動力學(xué)參數(shù)是相互影響的，表現(xiàn)出很強的耦合作用[7]。本文忽略吸附過程的熱力學(xué)特性和質(zhì)量擴散特性，只分析吸附床內(nèi)的傳熱過程。

2.1吸附床溫度場的數(shù)學(xué)模型

將儲氣罐中所發(fā)生的傳熱傳質(zhì)過程等效為一個簡單的有源非穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱問題。單位吸附熱并不隨氣體吸附量有很大變化，在一定的壓力條件下，吸附熱幾乎為常數(shù)，所以方程中的單位吸附熱可以看作常數(shù)且均勻分布[8-9]。吸附罐為簡單圓筒+中間孔+肋片儲罐的網(wǎng)格劃分，其中肋片與吸附床之間耦合進行計算。

設(shè)吸附床為長圓柱形，根據(jù)上述假設(shè)，其傳熱方程推導(dǎo)為：

(1)

(2)

(3)

(4)

(5)

T|τ=0=T0

(6)

式中：τ為充氣的時間，min；R為圓筒罐的內(nèi)半徑，m；R′為圓筒罐的外半徑，m；Z為圓筒罐的長度，m；T為罐內(nèi)介質(zhì)溫度，K；T∞為周圍空氣溫度，K；T0為初始溫度，K；h為儲罐外表面上的表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)，W/(m2·K)；λ為活性炭的導(dǎo)熱系數(shù)，W/(m·K)；c為活性炭的比熱容，J/(kg·K)；λ0為不銹鋼的導(dǎo)熱系數(shù)，W/(m·K)；q為等效內(nèi)熱源強度，W/m3。

由于壁厚相對于圓筒罐的長度很小，可將壁厚忽略不計。

2.2中型吸附罐吸附過程的數(shù)值計算

2.2.1實驗裝置結(jié)構(gòu)

吸附罐材料由不銹鋼加工而成，吸附罐的外徑為159mm，壁厚為6mm，其中冷卻管的外徑為27mm，壁厚為4mm，并伴有循環(huán)水換熱。計算得到吸附罐的有效容積約為5.4L。換熱結(jié)構(gòu)采用6根肋片的形式，肋片高度為40mm，厚度約為1mm。如圖1所示，裝填活性炭采用成型活性炭。

2.2.2計算結(jié)果及分析

實驗裝置為中型吸附罐，內(nèi)裝6根肋片，分析其充氣過程和溫度變化曲線。先不考慮傳熱與傳質(zhì)的耦合，在Fluent里面模擬計算，分析內(nèi)、外、中位置的溫度變化。

2.2.2.1加換熱結(jié)構(gòu)的吸附過程

實驗中填充的成型活性炭的體積為3 L，假設(shè)吸附體積比為70，則甲烷的體積為210 L；假定充氣時間為5 min，內(nèi)熱源的值定為92 592 W/m3；h是儲罐外表面上的表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)，h=40 W/(m2·K)；λ是活性炭的導(dǎo)熱系數(shù)，λ=0.1 W/(m·K)；λ0是不銹鋼的導(dǎo)熱系數(shù)，λ0=50 W/(m·K)；然后進入平衡過程，假定這一過程吸附停止，不再放出吸附熱，則設(shè)定內(nèi)熱源的值為0。邊界條件為：空氣的溫度為30 ℃，冷卻管水的溫度為26 ℃，外壁和內(nèi)壁的傳熱條件為對流換熱。圖2為網(wǎng)格劃分，并標明其內(nèi)部3點的位置。

圖3為充氣5 min溫度分布情況。圖4為充氣過程溫度變化曲線。經(jīng)過5 min充氣過程，中間位置的溫度最高，達67 ℃，溫升為40 ℃，吸附床的平均溫度為59 ℃。然后經(jīng)過25 min的平衡過程，溫度下降到30 ℃左右。由此可知，加循環(huán)水能夠有效地減小吸附床軸心的溫度。但是在中間部位仍有大部分區(qū)域處于較高的溫度。這是由于活性炭的導(dǎo)熱性能差，且充氣時間短，換熱結(jié)構(gòu)在短時間內(nèi)不能很好地起到換熱的效果。接近壁面處的溫度僅次于中間位置的溫度。由此可知，外壁的換熱作用不顯著。

2.2.2.2無換熱結(jié)構(gòu)的吸附過程

在實驗過程中是將冷卻水關(guān)掉，從而使冷卻水沒有起到換熱的作用，然后進行充氣實驗。模擬過程中，令邊界條件改變，將冷卻管內(nèi)壁設(shè)為絕熱條件。同樣設(shè)定充氣時間為5 min，平衡25 min,見圖5和圖6。

由圖5和圖6看出，經(jīng)過5 min的充氣過程，活性炭的最高溫度為70 ℃，溫升最高為43 ℃。平均溫度為63 ℃，這比加換熱結(jié)構(gòu)的溫度高4 ℃。由此可見，充氣時加換熱結(jié)構(gòu)能夠降低活性炭的平均溫度。25 min以后，最高溫度降到56 ℃。這段時間溫度并沒有降很多，而加換熱結(jié)構(gòu)的溫度則降到30 ℃左右。因此，加換熱結(jié)構(gòu)在平衡的過程中有很大的作用。無換熱結(jié)構(gòu)平衡后的較高溫度集中在里端和中間區(qū)域；加換熱結(jié)構(gòu)的較高溫度集中在中間和外端區(qū)域，溫度分布有很大差別。

圖7為充氣過程溫度的變化。由圖7看出，開始充氣時中間的溫度變化幅度最大，里端的溫度在充氣過程中溫升也較高，由原先的27 ℃上升到62 ℃，溫升為35 ℃。進入平衡過程，又出現(xiàn)小幅度上升，隨后緩慢下降，30 min后溫度為56 ℃，略超過中間部分的溫度值。由此可知，加換熱結(jié)構(gòu)對于改善接近冷卻管位置和中間位置的溫度有明顯的作用。

2.2.2.3加換熱結(jié)構(gòu)和無換熱結(jié)構(gòu)的比較

由圖8可以看出，在不同邊界條件下，靠近冷卻管位置的溫度變化情況有很大不同:

(1) 在有循環(huán)水的情況下，最高溫度達67 ℃，溫升為40 ℃，吸附床的平均溫度為59 ℃；而在無循環(huán)水的情況下，活性炭的最高溫度為70 ℃，溫升最高為43 ℃，平均溫度為63 ℃?？梢钥闯?，加循環(huán)水對于減小吸附過程的熱效應(yīng)有很大幫助。

(2) 進入平衡過程，在有循環(huán)水的情況下，溫度下降得很快，平均溫度為30 ℃；而無循環(huán)水時，溫度下降得很慢，平均溫度為50 ℃?？梢钥闯?，加循環(huán)水對于改善溫度的不均勻性有很大的作用。

3　中型吸附罐吸附過程實驗結(jié)果

3.1實驗步驟

吸附罐的結(jié)構(gòu)如圖1所示，將實驗系統(tǒng)稍作修改。裝置主要包括一個甲烷氣瓶、兩個標定罐、一個吸附罐、一個導(dǎo)出罐。主要實驗步驟如下：

(1) 打開氣瓶閥門，將甲烷氣體導(dǎo)入兩個標定罐，充入標定罐氣體的壓強約為4.1 MPa。

(2) 緩慢地打開連接標定罐與吸附罐的閥門，將氣體緩慢地充入吸附罐，閥門開度盡量小，控制氣體流量。當標定罐和吸附罐兩者達到平衡時(壓強相等)，表明充氣過程結(jié)束。然后平衡20 min左右。

3.2實驗結(jié)果

在實驗過程中，先考察加換熱結(jié)構(gòu)對溫度的影響。將冷卻水管打開，進行循環(huán)換熱,如圖9所示。

由圖9可以看出，整個實驗過程溫度變化很大，充氣時間約為5 min，最高溫度出現(xiàn)在Channel 05和Channel 10，溫度由30 ℃升到最高溫度67 ℃，溫升達37 ℃。溫度變化幅度最小的是Channel 07，溫度由28 ℃升到40 ℃，溫升為12 ℃。在充氣完成后，最高溫度的點Channel 05和Channel 10下降得很快。由此可知，加換熱結(jié)構(gòu)能夠改善熱效應(yīng)。

考察不加換熱結(jié)構(gòu)時，將冷卻水管關(guān)閉，不進行循環(huán)換熱。觀察其溫度變化，并比較與加換熱結(jié)構(gòu)之間有何不同,如圖10所示。

由圖10可以看出，整個過程充氣時間很短，在5 min之內(nèi)。Channel 05和Channel 10的溫度在快速充氣時迅速升高，最高溫度仍然為67 ℃，在充氣完成后出現(xiàn)緩慢的下降。Channel 07的溫度在整個過程中一直緩慢地上升，逐漸趨于平緩，最高溫度約為50 ℃。

4　結(jié) 論

通過實驗過程與模擬過程結(jié)果的比較，模擬的曲線與實驗曲線趨勢相同。對有無換熱結(jié)構(gòu)進行比較，得出以下結(jié)論：

(1) 加換熱結(jié)構(gòu)能有效地減小吸附裝置的里端位置的溫升。

(2) 在快速充氣過程中，有無換熱結(jié)構(gòu)對吸附床最高溫度的影響不大。

(3) 在充氣過程中，加換熱結(jié)構(gòu)時吸附床的平均溫度要小于不加換熱結(jié)構(gòu)時的吸附床平均溫度。

(4) 隨著時間的延長，換熱結(jié)構(gòu)對減小熱效應(yīng)的效果越明顯。

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Mathematical simulation and experimental research on temperature field of adsorption process in natural gas storage tank

Fu Rong， Chang Lin, Wang Anpeng

(SinopecShengliOilfieldTechnologyTestCenter,Dongying257062,China)

ANG is a kind of new technology to adsorb natural gas. In charge and discharge process, it shows heat effects. The heat of adsorption is about 16 kJ/mol, and it influences adsorption capability about 20%. Based on the temperature field distribution of storage vessel and the comparison of structures with or without heat exchange，the heat effects of during absorption process was mainly discussed, the variation of temperature at different radial positions and influences of heat effects on temperature fields were analyzed, and experimental data were compared with. The results showed that using heat exchange structure had good effect to retard the heat effect of adsorption process.

adsorption, storage vessel, temperature field, adsorption heat effect, activated carbon

付榮(1982-)，女，工程師。2008年畢業(yè)于中國石油大學(xué)(華東)，獲得油氣儲運工程碩士學(xué)位，現(xiàn)就職于勝利油田技術(shù)檢測中心安全評價中心。E-mail: furong826.slyt@sinopec.com

TE965

A

10.3969/j.issn.1007-3426.2016.04.009

2016-02-22；

2016-04-26；編輯：康莉