天然气复合吸附剂制备、储罐结构设计与实验

【摘要】：吸附式天然气(ANG)在常温、中低压(3MPa-6MPa)下存储天然气，是最具希望替代车用压缩天然气（CNG）的储存方式，但目前制约ANG应用于汽车的关键问题之一，是吸脱附过程中热效应问题没有解决。本论文针对ANG储罐性能受吸脱附过程热效应影响，分析了造成吸附床温度梯度的主要因素，提出了缓解热效应的措施，具体研究如下： ANG储罐充气过程的模拟计算。以圆柱型储罐吸附床在流率10L/min的充气过程为研究对象，应用ANSYS瞬态热分析模块建立ANG储罐的充气过程模型，比较吸附床热导率、吸附床内置导热片、储罐中心设置U型管以及新型扁平形状结构对吸附床温度变化的影响。结果表明，吸附床热导率0.5W/(m℃)-1.5W/(m℃)、吸附床内置3-5片导热片对缓解吸附床温度梯度和平均温度效果最佳；U型管内通循环水可以显著降低吸附床的局部温度和平均温度，但对吸附床的温度梯度改善效果小；扁平状储罐吸附床温度梯度小、不需要额外补充辅助设备、吸附剂填充方便。 ANG复合吸附剂制备。以比表面积2074m2/g的活性炭为基通过添加膨胀石墨制备复合吸附剂，采用正交试验设计法考察了不同工艺参数条件下制备复合吸附剂的热导率，确定制备高导热复合吸附剂的工艺方案为可膨胀石墨的膨胀温度600℃、膨胀时间30s、活性炭与膨胀石墨质量混合比1:1、成型压力9MPa；通过对活性炭在复合吸附剂中占质量比对甲烷吸附量的比较，得出复合吸附剂的吸附量随着活性炭所占质量比例的增加而提高，4MPa、40℃时复合吸附剂试样（1:4）对甲烷的吸附量与活性炭对甲烷吸附量之比为0.696。 ANG储罐的充放气试验。结合数值模拟分析结论，确定储罐基本结构并加工出一个容积为1385mL的扁平形储罐，储罐内填充活性炭、复合吸附剂、活性炭与导热片组合三种情况在室温下，分别进行充放气试验。结果表明，相同充气速率和活性炭填充量试验时，吸附储罐采用扁平形与圆柱形相比，储罐中心最大温升有25℃下降；吸附床为成型复合吸附剂时，可以减缓热效应影响，但不利于甲烷在吸附床内传质，造成吸附的延缓；以有效放气速率为准，放气速率越大，残留吸附储罐内气体越多，放气效率越低。 【关键词】：ANG ANSYS模拟 热效应 复合吸附剂
【学位授予单位】：集美大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2014
【分类号】：TE972;U469.7
【目录】：

• 摘要4-5
• Abstract5-9
• 主要符号表9-10
• 第1章 绪论10-18
• 1.1 研究背景及意义10-11
• 1.1.1 研究背景10
• 1.1.2 研究意义10-11
• 1.2 吸附天然气研究现状11-16
• 1.2.1 超临界气体吸附理论研究11-14
• 1.2.2 吸附剂研制14-15
• 1.2.3 吸附热效应研究15-16
• 1.3 本文主要研究内容16-18
• 第2章 ANG 储罐温度场模拟计算18-30
• 2.1 引言18
• 2.2 传热模型18-20
• 2.3 圆柱形储罐结构研究20-25
• 2.3.1 吸附床热导率的影响21-22
• 2.3.2 内置导热片的影响22-24
• 2.3.3 增强储罐外壁对流换热系数温度场计算24-25
• 2.4 内置 U 型管的圆柱形储罐结构研究25-27
• 2.4.1 网格划分25
• 2.4.2 结果分析25-27
• 2.5 扁平状储罐结构研究27-28
• 2.5.1 网格划分与参数设置27
• 2.5.2 计算结果27-28
• 2.6 本章小结28-30
• 第3章 复合吸附剂制备30-40
• 3.1 引言30
• 3.2 复合吸附剂制备工艺参数选择30-35
• 3.2.1 试验材料和仪器30-31
• 3.2.2 吸附剂制备31-33
• 3.2.3 试验结果33-35
• 3.3 甲烷在复合吸附剂上吸附平衡试验35-39
• 3.3.1 试验过程36
• 3.3.2 结果分析36-39
• 3.4 小结39-40
• 第4章 ANG 储罐的充放气试验40-50
• 4.1 引言40
• 4.2 试验系统简介40-42
• 4.3 活性炭吸附床的充放气试验42-45
• 4.3.1 吸附剂填装42
• 4.3.2 试验结果42-45
• 4.4 复合吸附剂吸附床的充放气试验45-47
• 4.4.1 复合吸附剂填装45
• 4.4.2 试验结果45-47
• 4.5 活性炭中加铜导热片吸附床的充放气试验47-48
• 4.5.1 活性炭与导热片填装47
• 4.5.2 试验结果47-48
• 4.6 小结48-50
• 第5章 总结与展望50-52
• 5.1 总结50-51
• 5.2 展望51-52
• 致谢52-53
• 参考文献53-57
• 在学期间发表的学术论文57

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