双回流真空变压吸附空分模拟

Ap:.2014现代化工第34卷第4期152Modern Chemic al Industry2014年4月双回流真空变压吸附空分模拟鲁东东,张正旺,银醇彪,杨华伟,孙艳,张东辉(天津大学化工学院联合国家重点实验室化学工程研究所,天津3000702摘要:双回流真空变压吸附( Duplex VPSA)是一种中间位置进料塔顶和塔底分别采用轻、重组分回流的变压吸附过程能够同时得到较高体积分数的轻、重组分产品。利用 Aspen Adsorption模拟软件,以Li-X氧分子筛为吸附剂,对两塔 DuplexⅤPSA空气分离进行了模拟研究。每个循环包含进料/轻组分回流、均压升、重组分产品升压、重组分回流/吸附、均压降、逆向降压6个步骤,在吸附压力200kPa和解吸压力57kPa下能够得到体积分数98.08%的氧气和体积分数9757%的氮气,回收率分别为90.32%和98.89%。研究了不同进料位置、进料流量和回流比对产品气的体积分数和回收率的影响。结果表明,Duplex VPSA过程能够同时得到较高体积分数和回收率的氧气和氮气。关键词:双回流真空变压吸附;空分;模拟中图分类号:TQ028.1文献标志码:A文章编号:0253-4320(2014)04-0152Simulation of duplex vacuum pressure swing adsorption( duplex VPSA)process for air separationLU Dong-dong, ZHANG Zheng-wang, YIN Chun-biao, YANG Hua-wei,SUN Yan, ZHANG Dong-huiChemical Engineering Research Center, State Key Laboratory of Chemical Engineering, School of ChemicalEngineering and Technology, Tianjin University, Tianjin 300072, China)Abstract: The Duplex reflux vacuum pressure swing adsorption process( Duplex VPSA )combines the light andheavy reflux with intermediate feed location, which can both obtain light and heavy product at the top and bottom of thebed, respectively. The two-bed Duplex VPSA for air separation is simulated by Aspen Adsorption software using Li-xzeolite. A six-step cycle is used with the feed /light reflux, pressurizing pressure equalization, heavy productpressurization, heavy reflux/adsorption, depressurizing equalization and countercurrent depressurization. The adsorptionand desorption pressure are 200 kPa and 57 kPa, respectively. The purity and recovery of O2 reach 98. 08% and0. 32%, respectively. At the same time, the purity and recovery of N2 are 97. 57% and 98.89%, respectively. Theinfluences of different feed locations, feed gas flowrates and reflux ratios are studied for the purity and recovery of O2 andN2. The Duplex VPSA can get both O2 and N, with high purity and high recoveryKey words: duplex PSA; air separation; simulati变压吸附是20纪60年代兴起的一种新型分离洗,能够得到一种高纯度的重组分但轻组分纯度依技术,被广泛应用于空气分离氢气提纯和碳氢化合然受到PL/PH的限制。 Enriching PSA被 Reynolds物的分离等过程。就变压吸附分离包含轻组分等°用于富集微量重组分。为了克服热力学的限(吸附能力较弱或不吸附的组分)和重组分(吸附能制,Dagm等和 Leavitt,提出了 Enriching PSA力较强的组分)的二组分体系而言,基于 Kastrom和 Stripping PSA联合的新循环过程,该过程与精馏循环的变压吸附过程被称为分离型变压吸附过程过程类似0,在塔中间某一位置进料,在较为适( Stripping PSA){2)。该过程采用高压进料,低压轻中的压力比(PHPL)下得到2种高纯度的产品,组分回流冲洗,能够得到高纯度的轻组分但重组分 Leavitt称之为双回流PSA( Duplex PSA)。 Kearns浓度较低, Diagne等、nyre等“研究表明,分离等21提出了不同类型的 Duplex PSA过程从理重组分会受到吸附热力学的限制。为了获得高浓度论上分析了不同类型 Duplex PSA过程的优劣及其的重组分,通常是增加吸附压力(PH)与解吸压力能耗,2011年Rao提出了一种改进的 Duplex PsA过(PL)的比值或增加塔的数目亦或是采用较为复杂程,对过程性能做了强化并与原 Duplex PSA过程进的循环。1982年 Wilson'提出的与 Kastrom循环行了对比,该研究大大提高了产率并降低了能相反的变压吸附过程被称为富集型FSA( Enriching耗,但与传统的PSA相比能耗仍然很高。PSA)。该过程通常是低压进料,重组分进行回流冲本文中选用空气N2/O2(0.79/0.21)为进料组收稿日期:2013-11-27;修回日期:2014-02-17基金项目:天津市科技支撑项目(2009F3-0005)作者简介:鲁东东(1987-),男硕士生;张东辉(1971-),博士,副研究员,从事新型吸附剂开发和变压吸附工艺模拟优化、设计工作,通讯联系人,022-27892097,donghuizhang@ju.edu.cn2014年4月鲁东东等:双回流真空变压吸附空分模拟153·分,Li-X型氧分子筛为吸附剂,利用 Aspen Adson(ED)。ion模拟软件,对低压进料的 Duplex VPSA进行了步骤3:对bed2进行抽空(CoD),抽出来的气体模拟,考察了不同进料的位置、均压方式和塔顶塔底用压缩机进行压缩,压缩后的气体对bed进行升压回流比对产品浓度和回收率的影响,同时得到了2(HP)。步骤45、6是步骤123的逆过程。种具有较高纯度、较高回收率的氧气和氮气。建立如图2所示的模拟流程图,该 Duplex1 Duplex VPSA过程VPSA过程包括2部分,进料口上端为 StrippingPSA,进料口下端为 Enriching PSA,塔顶产生氧气,图1是低压进料的 Duplex VPSA过程的循环步塔底产生氮气。其中V2、V3、V4、V5分别控制塔顶骤原理图。O2回流的量、塔顶O2采出量、塔底N2采出量、塔底N2回流量,VEI和VE2为线性流量控制阀,其流量的大小与阀门的开度(Cv)和阀门两端的压力差呈正比。原料气为空气,忽略氩气,进料压力为PE. PL100kPa。 Duplex VPSA过程按照表1的时序进行,每个吸附床依次进行进料/轻组分回流、均压升、重步骤1步骤2步骤3组分产品升压、重组分回流/吸附、均压降、逆向放压F一原料气(N2/O2=0.790.21);LP一轻组分产品(O2);步骤。HP一重组分产品(N2)图16步骤的 Duplex VPSA原理图步骤1:bedl处于低压(PL)下,bed2处于高压1.6m(PH)下,进料气在塔某一位置处进入bedl(F),BedIbed处于重组分回流/吸附状态(HRAD),塔顶产VEl生的轻组分气体(O2)一部分作为产品气,一部分回氮气流进入bed(LR),对bedl进行回吹,而从bedl解吸出的气体一部分作为产品气,一部分经压缩机压Q1Q2、Q3-流量计;Ⅴl、V2、V3、V4V5、VEl、VE2-调节阀门;缩后回流至bed2。Bedl、Bed2—吸附塔;zp-进料位置步骤2bed和bed2进行均压,均压至中间压力(PE),bedl进行均压升(ER),bed2进行均压降图2 Duplex VPSA模拟流程图(上接第151页)parameter matrix and results for different thermodynamic properties[5]江大好宿亮虎陆殿乔,等焦化粗苯的组成及其加氢精制工[J]. Ind Eng Chem Res,1993,32(1):178-193艺技术的开发[J].现代化工,2009,29(5):72-7513] Yu J Choi, Ki W Cho, Byung W Cho, et al. Optimization of the Sul-[6]李春利,宋博,方静,等焦化粗苯加氢精制萃取精馏工艺的改进与模拟[J].现代化工,2007,27(s1):437-442Eng Chem Res,2002,41(22):5504-5509[7]杨劲松,叶煌粗苯加氢与加氢油萃取蒸馏工艺剖析[J].燃料14] Ashland Oil Company. 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A modified unifac mod-el: 2 present化工大学学报,2012,39(3):19-23.■154现代化工第34卷第4期表1低压进料 Duplex PSA时序控制表表4时间表2吸附床及吸附剂性质吸附塔40sHb′Db参数Rp/Bed1 F/LR ER HPP HR/Ad ED CoDBed2 HR/ AD ED CoD F/LR ER HPP数值1.60.40.350.53641.00.00161.0534表3N2、O2吸附等温线常数2模型建立参数NO本文中采用 Aspen Adsorption模拟软件建立上1.424×10-51.38×10-6述模型,采用向前差分法,将吸附床在空间上离散为IP/kPa6.385×10-34.985×10-3160个节点;对模型进行了下列假设:①吸附动力学模型采用线性推动力法(LDF);②吸附等温线模型表4N2、O2的物理性质采用扩展的 Langmuir方程;③忽略径向扩散和径向参数02浓度分布;④气体的pt关系采用理想气体状态方Dm/(m2·s-)2.02×10-51.78×10-5MTCLIS/s程,认为空气为N2和O2的二元理想气体混合物。DH/(J·mol-1)16.378-5.508吸附动力学采用线性推动力法aq /at= MTC (gi-gi)式中,q为的吸附量,mo/g;q为组分i的饱和吸3结果与讨论附量,mol/g;MTC1为组分i的吸附速率常数,s13.1压力变化N2和O2的 Extended Langmuir吸附等温线图3是 Duplex VPSA I个循环内的压力变化。9:=IP1 P /(1+2/Pa,P,)开始bed2处于高压回流冲洗/吸附状态,bedl处于式中,P为组分i的分压,Pa;P为组分i等温线低压状态,塔顶产生的O2进入bed对其进行回吹参数。冲洗,同时低压原料气进入bed,然后bedl进行均轴向扩散系数压升,bed2均压降,均压至120kPa,最后bed2抽空,E=0.73Dam+vrp/e[1+9.49(6,D2n12)](3)抽出气体压缩后进入bed进行升压,升至200kPa式中,D为分子扩散系数m2/s;EA为轴向扩散系数,m2/s;n为颗粒半径,m;v,为气相空塔速度,m/s;为床层空隙率。质量平衡:出100-E,Dn(a3c;/a2)+a(v,c)/az+s;(c;/at)+p(;/at)=0406080100120式中,c1为组分i的摩尔浓度,mo/L;为颗粒孔隙率。1-bedI 2-bed2吸附床层中的压降由欧根方程表示图3吸附床bedl和bed2压力变化图-(aP/ax)=[1.5×103(1-6)2]/(2,中)2e·n+1.75×103Mpn[(1-c)/2,e]·t3.2进料位置(zF/Hb)影响式中,为形状因子;为动力学黏度,Ns/m;M为分图4和图5是塔底塔顶同时均压下不同进料位子质量,g/mol;pn为气相密度kg/m3。置(Zp/H)下的轻重组分的体积分数和回收率,其中重组分的体积分数和回收率用杂质O2的体积分能耗方程数和回收率来表示。可以看出进料位置(ZF/H)I [yRT/(y-1)][(PH/PL)Y-1]Idn(PL)0.50~0.75处,轻重组分的体积分数和回收率均保其中:持在较高水平,在0.75处最佳。在 Stepl时,bedly=Cr/C,塔顶有轻组分回流,并且此时在中间进料口还有原吸附床、吸附剂及N2、O2的一些性质见表2料气进料,这样轻组分从塔顶向下回流和从进料口2014年4月鵠东东等:双回流真空变压吸附空分模拟155·向上的原料气会发生类似于精馏过程中出现的“返混”现象而降低处理性能。如果进料位置处的体积分数与原料气(N2O.79)的体积分数相差很大就会发生“返混”,使塔内浓度分布不均匀°。最佳进料000位置应为与原料气体积分数相接近之处(,1-8,18,下0.3面在进料位置为0.75处考察各变量的影响。进口流量/ (mol.-)图7不同进料口流量下轻重组分产品的回收率c o3.4轴向N2体积分数分布及吸附量分布图8和图9分别为塔顶塔底同时均压的情况20.3下,bedl半个循环内的各步骤的轴向体积分数变化及固体吸附剂的吸附量变化。进料位置在075处,1一轻组分;2一重组分此处由于原料气的进入,氮气体积分数波动较大。图4不同进料位置下轻、重组分产品的体积分数0s时,塔底富含氮气,塔顶富含氧气,随着原料气进入,塔底N2体积分数逐渐降低,塔顶由于bed2富氧进入而致使N2体积分数降低。图9中,由于bedl处于低压状态整体吸附量均较低,塔顶处由于bed20.0回流的氧气的冲洗,氮气吸附量逐渐降低,这与图8中随时间的延长,塔顶氮气体积分数逐渐降低的结0203040.060.7o8果相一致。40~50s内bed处于均压升状态,由于Z/Hbed2塔顶预留有一部分氧气,这部分氧气进入1一轻组分;2一重组分bedl,致使bed塔顶N2体积分数降低;同时上步回图5不同进料位置下轻、重组分产品的回收率流的氮气进入bed2塔底,致使bed2塔底N2吸附量3.3进口流量的影响较大,此时bed2压力降低,N2解吸出来进入bedl图6和图7是不同进口流量下所得到的轻重组分的体积分数和回收率。在进口流量为12.0~0817.0mo/min的情况下,虽然N2、O2的体积分数基0.6k本保持不变,但O2的回收率逐渐降低。随着进口流兰量的进一步增加,虽然轻组分O2浓度基本不变但回收率急剧下降,此时重组分杂质O2体积分数有所增轴向距离/m轴向距离/m加。原因是进口流量的增加会使塔内的体积分数分时间:1-0s;2-10s时间:1-43s;2-46s布不均匀,同时进口流量增加可能使气体在bedl抽3-20s;4-30s;5-40s3-49s:4-50空的过程中随之抽出,导致重分杂质O2体积分数(a)步骤1(b)步骤2增加兰轴向距离/m182022时间:1-53s;2-56s;3-59s;460s进口流量/(mol·min1—轻组分;2一重组分图6不同进口流量下轻重组分产品的体积分数图8Bedl在半个循环周期内每个步骤的轴向浓度变化图156现代化工第34卷第4期1.04采出量的比值,两者之间的关系为3Rn=(1+R1)(O1/Qn)06≤0.60—040812160.40.8121.6轴向距离/m轴向距离/m0.8c时间:1-0s;2-10s时间:1-53s;2-56s3-20s;4-30s;5-40s3-59s;4-60s20.40.60.8(a)步骤(b)步骤2塔顶回流比1.0;;:;:;:;:轻组分体积分数;2一回收率图10不同塔顶回流比下的O2的0.4体积分数和回收率20-040.81216从图10中可以看出,当塔底回流量不变时,随着塔顶回流量逐渐增加,塔顶O2体积分数逐渐升时间:1-103s;2-106;3-109;4-1105高,但O2的回收率先降低后出现一个较高值,主要(c)步骤3原因是当塔顶回流量小时,冲洗不充分,氧气体积分图9Bed1在半个循环周期内每个步骤的数较低,但回流量过大会导致回收率降低。当塔顶N2吸附量浓度变化图回流量保持不变时,随着塔底回流量的增加,N2的体积分数也是逐渐增加的,但回流量的增加意味着塔底,使塔底吸附剂氮气吸附量较大并且塔底N2体能耗的增加和回收率的降低。积分数有所提高。整个均压的过程很快达到稳定,3.6过程能耗浓度和N2吸附量基本没有太大波动。50-60s时,表5列出了不同类型的PSA分离N2-O2的性对be2进行抽真空解吸,解吸出来的重组分产品能表现,可以看出 duplex PSa( model-R)单位能耗N2经压缩机压缩后对bed进行升压,可以看出在比 duplex PSA(modl-E)低,这也是本文中采用0~0.5m处N2体积分数保持较高纯度且基本不 duplex VPSA( model-R)的原因。本文中 duplex变,N2吸附量有所降低主要是因为bed2在抽真空PSA( model-R)虽然比文献中的 duplex PSA解吸时,一部分氧气也会解吸进入bedl步骤45(mdl-R)的能耗大,但N2和O2体积分数均有很6与步骤1、2、3道理相似。大提高,这主要有以下几种原因:①文献中为高压进3.5塔顶塔底回流比的影响料,本文中为常压进料;②文献中采用的进料气组成图10为塔底回流比一定下,不同塔顶回流比下为N2:O2=0.5:0.5,本文中N2O2=0.79:0.21。虽轻组分O2的体积分数和回收率,其中塔顶的回流比然本文中的能耗较常规vPSA制氧能耗高,却为同顶的回流量与塔顶产品的采出量的比值,时完全分离2种组分提供一种途径怎样降低能耗塔底的回流比(Rn)为塔底的回流量与塔底产品的是今后要做的工作。表5不同PSA过程分离N2一O2的性能表现半循环进料量压力比PHPL体积分数%产率/(mlkg-1h-1)能耗/(PH-PL MPa)N(kWh.t-I)duplex PSA( model-E)U20.0(0.1~0.0005)92.392.41.0l2577.3duplex PSA(model-E)LI5J267(0.4-0.15)78.5.155.179.6duplex PSA( model-R)[]2.67(0.4~0.15)72.1572.244.7PSA for air( 15, 19121.2(0.1~0.0004)98.9118.8VPSA for O2(0.14~0.03)2451.16e3.51(0.2~0.057)97.5798.08注:文献[15]原料气N2:O2=0.5:0.5; duplex PSA( model-E);塔顶均压 duplex PSA( model-E)塔底均压 duplex VPSA。2014年4月魯东东等:双回流真空变压吸附空分模拟1571996,65(1):29-38.4结论[8] Diagne D, Goto M, Hirose T. Parametric studies on CO2 separation通过对中间进料的两塔 Duplex VPSA模拟能够and recovery by a dual reflux PSa process consisting of both rectif-ying and stripping sections[ J]- Ind Eng Chem Res, 1995, 34(9)得到以下结论:3083-30891) Duplex VPSA能够分离空气,同时得到较高[9] Leavitt F W. Duplex adsorption process: US, 5085674[P].1992纯度的N2和O2,在进料位置(Z/H)0.50~0.75处,能够同时得到体积分数为9683%~9721%的0 Carlos A, Grand, Richard Blom. Dual pressure swing units for giN2和98.09%~98.47%的O2,其中氮气的回收率separation and purification[ J ]. Ind Eng Chem Res, 2012, 51(25)为98.77%~99.07%,氧气的回收率为88.75%8695-8699[11] Carlos A, Grand, Richard Blom. Utilization of dual-PSA technology89.54%。for natural gas upgrading and intergrated CO2 capture[J]. Energy(2)增加塔顶塔底回流比能够使O2和N2的体Procedia, 2012. 26: 2积分数提高,但回收率会降低[ 12] Keams D T, Webley P A. Modeling and evaluation of dual reflupressure swing adsorption cycles: Part 1. Mathematical models[J]参考文献Chem Eng Sci,2006,61(22):7223-7233.[1] Ruthven DM, Farooq S, Knaebel K S. Pressure swing adsorptionP A. 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J Chem Technol Biotechnol07-16.■“+++·+““+“+“++“+-……++…+++壳牌在上海开设全球第3个研发中心2014年3月25日壳牌集团宣布其位于中国上海、经连续7年成为中国市场份额排名第一的国际润滑剂品致力于润滑剂和油品研发的技术中心正式启用。该技术牌。在中国设立研发中心,将有利于壳牌更加贴近客户中心被命名为壳牌(上海)科技有限公司。这一技术中心的需求。上海研发中心将与位于德国汉堡和美国休斯将为中国以及亚洲地区提供润滑剂产品的研发和应用服敦的另外2个润滑剂研发中心紧密合作,并成为壳牌润务,范围覆盖印度、印尼、韩国泰国和越南等国家。滑剂实验室全球网络的一部分。将研发中心设在上海,目前中国是全球仅次于美国的第二大润滑油市场,壳牌可以把研发团队和整车厂商的距离拉到最小。目而中国市场的增速是美国的几倍。壳牌相信,中国很快前壳牌在中国有7座润滑油厂和1座全球最大的润滑就会超过美国成为全球最大的润滑油市场。而壳牌已脂厂。(张力)+“-“++十十++++…+