مدل‌سازی فرایند پر شدن و تخلیه مخزن ذخیره‌سازی گاز طبیعی جذب‌شده

نوع مقاله: مقاله شیمی

نویسندگان

دانشگاه خلیج فارس

چکیده

در سال‌های اخیر سیستم گاز طبیعی جذب شده به عنوان یک روش فشار پایین و ایمن برای ذخیره سازی گاز طبیعی به ویژه در وسایل نقلیه مورد توجه قرار گرفته است. مشکلاتی بر سر راه عملی شدن این تکنولوژی وجود دارد که از جمله آن‌ها تأثیر گرمای جذب بر روی ظرفیت ذخیره‌سازی و تخلیه مخزن و کاهش آن است. هدف از این مطالعه به دست آوردن توزیع دمای یک مخزن استوانه‌ای در طول فرایندهای پرسازی و تخلیه آن به وسیله گاز طبیعی می‌باشد. این مخزن شامل یک پخش کننده گازی در مرکز به منظور بهبود نوسانات دمایی می‌باشد. در این مطالعه ابتدا معادلات انتقال جرم و انرژی حاکم بر بستر جاذب موجود در مخزن استخراج شده و پس از بی‌بعدسازی با استفاده از روش تفاضل محدود ضمنی حل شده است. با حل معادلات حاکم، تغییرات شعاعی دما و فشار بستر در طول زمان محاسبه شده و عوامل موثر بر این نوسانات دمایی و بازده مخزن بررسی شده است. بر اساس نتایج به دست آمده، پخش کننده گاز در طول فرایند پرسازی و تخلیه بازده را نزدیک به 5 درصدافزایش می‌دهد. همچنین نتایج نشان داد که مدت زمان فرایند، رسانایی گرمایی بستر جاذب، ضریب جابجایی گرمایی طبیعی، هندسه مخزن و اعداد بدون بعد بایوت و فوریه عوامل موثر بر کاهش و افزایش بازده می‌باشند. همچنین مقاومت نفوذی بالای بستر جاذب در طول فرایند جذب می‌تواند تأثیر زیادی بر کاهش ظرفیت ذخیره‌سازی مخزن و افزایش زمان فرایند داشته باشد.

کلیدواژه‌ها

موضوعات


عنوان مقاله [English]

Dynamic Modeling of Charge and Discharge of Adsorbed Natural Gas storage Tank

نویسندگان [English]

  • Sahebeh yousefi
  • Masoud Mofarahi
  • Hossein Rahideh
Persian Gulf University
چکیده [English]

Recently, adsorbed natural gas (ANG) has been considered as a low pressure and safe method for storage of natural gas, especially in vehicles. Nevertheless, the usage of the ANG storage system is hindered by the thermal effects due to both heat of adsorption and desorption during the charge and discharge processes and hence, an effective thermal enhancement is essential for the development of this technology. The purpose of this study is the investigation of transient thermal behavior of an ANG tank during charge and discharge cycles. There is a gas diffuser at the center of the tank to improve its temperature fluctuations by changing the flow direction from axial to radial. In this study, mass and energy equations were first derived and the resulting equation system was solved by implicit finite difference numerical method. By solving these equations, radial temperature and pressure distributions of adsorbent bed were obtained over time. Then, the effective parameters on the temperature fluctuations and efficiency of the ANG tank were studied. Numerical results show that the gas diffuser increases dynamic efficiency around 5% during the charge and discharge cycles. The results also show that the time of process, adsorbent bed thermal conductivity, convection heat transfer coefficient, tank geometry and dimensionless Biot and Fourier numbers are important factors on the efficiency enhancement. Also it was shown that high penetration resistance of the adsorbent bed may have a significant impact on the storage capacity and charge process time of the ANG tank.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Methane
  • Storage
  • ANG
  • Adsorption Heat
  • modeling
 

[1] ملاشاهی، م.، هاشمی پوررفسنجانی، ح. (1389). "بررسی ذخیره سازی گاز طبیعی به روش جذب سطحی و تشکیل هیدرات در جاذب‌های کربنی مرطوب". مجله مهندسی شیمی، سال 9، شماره 48.

[2] Giraldo L., Moreno-Pirajan J.C. (2011). "Novel Activated Carbon Monoliths for Methane Adsorption Obtained from Coffee Husks". Materials Sciences and Applications, vol. 2, pp. 331- 339.

[3] Chang K.J., Talu O. (1996). "Behavior And Performance of Adsorptive Natural Gas Storage Clinders During Discharge". Applied Thermal Engineering, vol. 16, pp. 359-374.

[4] Herna´ndez-Huesca R., Diaz L., Aguilar-Armenta G. (1999). "Adsorption equilibria and kinetics of CO2 , CH4 and  N2 in natural zeolites". Separation and Purification Technology, vol. 15, pp. 163-173.

[5] Bastos-Neto M., SEurico B., Torres B., Diana C.S., Cileo S., Cavalcante J.R. (2005). "Methane Adsorption Storage Using Microporous Carbons Obtained from Coconut Shells". Adsoption, vol. 11, pp. 911-915.

[6] Rashidi A.M., Lotfi R., Nouralishahi A., Khodagholi A.M, Zare M., Eslamipor F. (2011). "Nanoporous carbons as promising novel methane adsorbents for natural gas technology". Journal of Natural Gas Chemistry, vol. 20, pp. 664- 668.

[7] Arami-Niya A., Ashri Wan Daud W.M., Mjalli F.S., Shafeeyan M.S. (2012). "Production of microporous palm shell based activated carbon for methane adsorption: Modeling and optimization using response surface methodology". Chemical Engineering Research and Design, vol. 90, pp. 776- 784.

[8] Mota J.P.B., Rodriguea A.E., Saatdjian E., Tondeur D. (1997). "Dynamics of Natural Gas Adsorption Storage Systems Employing Activated Carbon. Carbon". vol. 35, pp. 1259-1270.

[9] Mota J.P.B. (1999). "Impact of Gas Composition on Natural Gas Storage by Adsorption". American Institute of chemical engineers, vol. 45, pp. 986–996 .

[10] Zhou L., Li M., Sun Y., Zhou Y. (2001). "Effect of moisture in microporous activated carbon on the adsorption of methane". Carbon, vol. 39, pp. 771- 785.

[11] Lara L.G., Couto P., Sophya D.M.A., Cotta R.M. (2006). "Thermal Control of Adsorbed Natural Gas Reservoirs under Discharge Dynamic Condition". 13th International Heat Transfer Conference, Sydney, Australia, 13-18 August.

[12] Hirata S.C., Couto P., Lara L.G., Cotta R.M. (2009). "Modeling and Hybrid Simulation of Slow Discharge Process of Adsorbed Methane Tanks". International Journal of Thermal Sciences, vol. 48, pp. 1176-1183.

[13] Bastos-Neto M., SEurico B., Torres B., Diana C.S., Cileo S., Cavalcante J.R. (2005). "A Theoretical and Experimental Study of Charge and Discharge Cycles in a Storage Vessel for Adsorbed Natural Gas. Adsorption". Adsorption, vol. 11, pp. 147-157.

[14] Jurumenha, D.S., Sphaier, L. A. (2001). "Suitability analysis of lumped-capacitance formulations for adsorbed gas storage ". Applied Thermal Engineering, vol. 31, pp. 2458-2463.

[15] Biloe, S., Goetz, V., Mauran, S. (2001). "Dynamic Discharge and Performance of a New Adsorbent for Natural Gas Storage". American Institute of Chemical Engineers Journal, vol. 47, pp. 2819-2830.

[16] Suzuki, M. (1990). "Adsorption Engineering". Elsevier Science, Tokyo.

[17] Glueckauf, E. (1955). "Theory of Chromatography Part 10 - Formula for Diffusion into Spheres and Their Application to Chromatography". Transactions of the Faraday Society, vol. 51, pp. 1540-1551.