天然气吸附储存过程的数值模拟研究

　　0　引　言

　　天然气蕴藏丰富,燃烧时排放物对大气的污染轻,随着世界能源危机的加剧及环保意识的增强,其作为燃料,正日益受到重视。由于天然气能量密度较低,天然气汽车(NGV)主要以高压(20MPa以上)压缩天然气(CNG)作为主要的储气方式,而CNG具有压缩成本高、加气站投资大、储气罐重等缺点在一定程度上限制了NGV的推广。为了克服CNG的不足,吸附天然气(ANG)存储被认为是最有开发价值的低压(3.5 MPa左右)存储技术[1-2]。

　　ANG存储技术还有一些问题需要解决,譬如,如何消除吸附热效应对储罐充气和放气过程的不利影响仍然没有得到解决。充气时,吸附放热使吸附床层的温度升高,从而使储罐的存储量减少,快速充气时这种影响更明显。为了能更好地了解快速充气过程中吸附床层的温度和吸附量的变化,本文建立了活性炭吸附天然气的二维传热传质模型,并用Fluent软件进行了数值模拟计算,以分析快速充气过程中吸附床的温度场和吸附场的耦合情况,并提出抑制吸附热效应的措施.

　　1　建立模型

　　1.1　储存系统的物理描述

　　一个填充活性炭的长圆柱形碳钢吸附储罐,长为L、内径为Ri、外径为Ro,其一端中心开有一小孔,天然气由此充入,见图1。

　　1.2　数学模型

　　为了简化分析,假设:

　　1)天然气为纯甲烷气,并服从理想气体定律;

　　2)吸附床层的初始温度和压力均匀分布;

　　3)吸附床层与罐壁的接触热阻忽略不计,吸附床层边界上的温度与罐壁一样;

　　4)颗粒内传质速率可用线性动力学模型描述,无规则形状的吸附剂颗粒看作是具有一定当量直径的球形颗粒。

　　在假设下,快速充气吸附过程被简化为一个稳态、各向同性的二维轴对称问题,于是,其数学模型可以简单地写为

　　连续方程:

　　式中:Rp为活性炭颗粒的当量尺寸,Dm为吸附质分子在吸附剂分子的表面扩散系数。饱和吸附量:由Dubinin-Radushkevich方程知气体饱和吸附量为

　　1.3　边界条件

　　由于容器外壁与外界环境的自然对流换热系数很小,充气过程又相对较短,所以本文作初步近似,假定外壁为绝热。相应的热边界条件为储罐外壁的条件:

　　1)外壁面设置为绝热

　　1.4　模型方程的求解

　　采用Fluent(版本6.3)软件对上面的数学模型求解。在Fluent中有UDF(user-defined func-tion)用户自定义函数和UDS(user-defined sca-lars)用户自定义标量,它们可以解决Fluent标准模块不能解决的问题[4]。在本文中,把储罐中的活性炭看成是多孔介质,运用Fluent中的多孔介质模块,再运用UDF把式(4)的最后一项,式(6)和(7)加进去,就构成了一个完整的模型。数值计算前,对网格尺寸、时间步长和网格密度进行了检验,最后确定的网格数目为120×100。