变压吸附空分制氮过程的研究

第51卷第5期化工学报Vol. 51 No5000年10月Journal of Chemical Industry and Engineering( ChinaOctober 2000研究论文变压吸附空分制氮过程的研究卢洪李成岳北京化工大学化学工程学院,北京100029)摘要建立了一套中试装置,对以商业炭分子筛为吸附剂的变压吸ⅨA)空分制氮循环过程进行了系统研究.用所建立的数学模型对相应实验进行模拟并将模型预测与实验数据进行比较,结果表明模型是可靠的关键词空气分离变压吸附氮气中图分类号TQ28.5引言6对变压吸附循环过程, Raghavan12Hassan3H及Faro5均进行过模型预测与实验的对照研究,但所涉及装置均为小型的实验装置,其吸附柱直径仅为几cm,吸附柱内工况与工业装置存在较大差异.另外在相关文献中也未见到对吸附柱5内气相浓度分布进行实验测定并与模拟结果进行比较的报道.显然,仅仅将实验中吸附柱出口的浓度与模型预测值进行比较去证明模型的可靠性是不够Fig. I Flow sheet of PSA unit for nitrogen production的.本文报道在中试装置上,在接近工业装置的操-compressor : 2--water cooler 3-condlensate collector作条件下,测定吸附塔轴向温、浓度分布,并对整4-drving towers 5-12-solenoid valves 13-buffer tank个循环过程的特性进行模拟与实验研究的结果14--flowmeter 15--pressure regulating valve 16-adsorptioncolumns 17-20-check valves 21-28-solenoid valves1实验29--nitrogen tank实验装置的工艺流程如图1所示,空气预处理调压阀调节至指定压力并经转子流量计计量后作为包括压缩及脱水,原料空气经压缩机升压后进入间产品气体引出;另一路计量后进入再生塔进行吹扫壁式水冷器使压缩空气中的水部分冷凝,然后进入再生,反吹计量管路由4个单向阀和1个转子流量干燥器进一步吸附脫水.干燥部分由两个交替使用计组成的硅胶干燥器组成,当其中一个处于吸附状态时实验裝置的循环方式与大多数工业装置的实际从该塔引岀部分干燥空气对另一干燥塔进行吹扫再操作相冋,由4个阶段组成:加压吸附→均压(降生,反之亦然压)放空吹扫→均压升压)加压吸附干燥空气经减压阀减压后进入缓冲罐,经过转1.1吸附床及吸附剂规格子流量计计量后,由调压阀调节至指定压力进入吸实验装置吸附床尺寸及吸附剂的有关数据如附塔进行吸附分离.气体的流动均由电磁阀控制,下:装置额定产气量1.0mh-1,每床填充德国产其中电磁阀23、24用于均压操作,离开吸附塔的BF型炭分子筛吸附剂7.5kg,床层空隙率0.32,吸气体分为两路,一路经出口阀进入氮气贮罐,由附塔高800m,吸附剂有效填充高度720mm,塔径159mm;吸附剂颗粒尺寸为φ2mm×2~5mm199904-09收到初稿,199908-24收到修改稿颗粒表观密度为0.84×10kgm-3.由于吸附塔直联系人:李成岳.第一作者:卢洪,男,27岁,硕士,工程径比一般实验研究所用吸附柱要大得多,可以认为第51卷第5期卢洪等:变压吸附空分制氮过程的研究1.2温度测量层温度波动很小,对吸附分离几乎不产生影响,无为了考察吸附塔内轴向温度分布及热效应的大论操作条件如何改变,轴向温度分布曲线基本在环小,在吸附塔的塔壁上沿轴向不同位置开设7个测境温度附近浮动,上下不超过3℃,如图2(a温口,分别安裝E型铠装热电偶,其测量端沿径图xb所示向伸至吸附塔轴线位置.热电偶进行冷端补偿后直表观吸附热效应与基础实验中所测得吸附热较接与PCL-818L及PCID-789D数据采集卡连接,小的结果是相容的,因此,吸附热效应在建立变压用一台微机对吸附塔温度进行实时跟踪测量并吸附空分制氮模型时可以不予考虑6]记录2.2数学模型1.3浓度测量由于本系统的热效应较小,因此,在建立数学为了测定吸附塔內气相氧浓度的轴向分布,沿模型时可不考虑热量衡算,而仅仅考虑吸附塔内的吸附塔璧在轴冋不同位置处开了7个采样口,待体质量衡算,本文所建立的吸附塔数学模型见附录系达到循环定态后,打开指定位置的采样阀,与便利用所建立的数学模型,对实验装置的性能进携式CY-丌B型数字测氧仪连接,对同一周期内几行了模拟与预测.涉及到的一些操作参数及模型参个特定时刻的浓度值进行测定,直到数据稳定,然数,确定方法如下后对下一测点相应时刻的浓度值进行测定,直到取23吸附塔压力得所有测点在对应时刻的氧浓度数据为止.根据这为了确定各循环阶段压力变化情况,实验过程些数据即可绘岀吸附塔內气相氧浓度随时间的变化中,利用压力表对各操作阶段吸附塔内压力随时间情况及轴向分布曲线.变化情况进行了跟踪测量,得到各阶段压力变化曲1.4流量测量线.对压力曲线进行拟合,即可得到压力变化关联根据实验研究的需要,需对3处的流量及压力式,用于模拟计算进行测量,以确定系统的原料气消耗量、吹扫气用2.4吸附平衡常数及扩散时间常数量及产气量,从而确定本系统的性能指标.如图1对N2、O2在炭分子筛(CMs)上的吸附基础数所示,所有流量计量均使用转子流量计.由于循环据,采用文献6冲所述实验结果,如表1所示操作,进料及吹扫流量均会随着操作阶段旳转换而Table 1 Equilibrium and diffusion time出现较大波动,因此在实验数据的处理过程中只能constants of N2 and O,( 26C)近似地采用平均流量2实验结果及与数值模拟的比较177×10-31.17×10-42.1吸附床层的热效应2.5线性推动力传质LDF模型中的Ω值在实验过程中,对床层温度分布进行跟踪考察模拟过程中,采用了实验确定Ω值的方法表明,随着吸附或解吸的进行,床层内温度分布的以表2中实验10所列实验数据来标定aA及B的变化趋势合理反映岀吸附过程放热和解吸过程吸热值,然后用于模拟计算的特性.但从总体上来看,在吸附及解吸过程中床循环过程特性数值模拟与实验数据的比较见表303.03020302.0301.0301.03000299.0299.000.20406081.000204060.81.0(a)adsorption step(b) purge steFig 2 Bed temperature588化报2000年10月Table 2 Comparison between experimental and simulation resultsxA/%( ProductRA2l,130.120.0010.1860,1880.15602.0.300.350.226.786003.560.330.371.680.3682.1601.67400.290.250.2440.251,70380.290.2630.2643.150.370.2840.2由表2可以看出,无论是产品纯度还是氮气回收率,模拟计算都能较好地预测实验结果,几乎所有模拟计算均能正确反映操作条件变化对性能的15影响下面进一步说明模型预测结果的可靠性图3表明吸附塔岀口氧含量随操作周期数增加而不断变化的情况.随着循环操作的进行,吸附塔10203040出囗处的氧含量从21%很快下降,大约经过25个循环后,出口处浓度不再改变,从而达到循环定Fig 3 O2 molecule fraction at outlet is cycle numbe态,模拟结果与实验数据吻合(t0a=3.55cms-,toe=1.67cms1,p=3.1×10°Pa同一周期中床层内浓度分布浓度波的移动情Pp=1.0×103Pa,tn=60s,tn=2s)况洳图4所示,在加压吸附阶段,入口端渐趋饱和,吸附区域逐渐向出口端移动;在吹扫阶段,在图5及图6分别表示体系性能随流速比αN2的置换作用下得到清洗,吸附剂床层得以解吸(viv)和保留时间x(Bv4)的变化而改变,再生,无论是吸附阶段还是吹扫阶段,数值模拟结结果表明α和τ增大均有利于产品纯度的提高,但果与实验数据都很好吻合,因此,模型预测较好地氮气回收率则相应降低反映了实际操作中的这一动态过程.图7表明在特定的流速比a和保留时间r条件35251002040.60.81000.2040.6081.0(a)O2 molecule fraction profiles of adsorption step(b)O2 molecule fraction profiles of purge step(1oa=3.55cms1,to4=1.67cms1,t=60s,t=2s,p=3.1×10Pp=1.0×105Pa)第51卷第5期卢洪等:变压吸附空分制氮过程的研究589有指导作用0.35(2)在BF-CMs吸附剂上,热效应对PSA空030分制氮过程操作性能的影响可以忽略(3)线性推动力传质模型LDF,带Ω因子)以很好地用于预测BF-CMS上PA空分制氮过程0405060.70.80.91.0的操作特性(4)在给定产品纯度及其他操作条件后,适当延长吸附周期,可以在保证产品纯度的前提下,降Fig 5 Unit performance us velocity ratio of purge/feed低气比,节省操作费用(ta=60s,=2s,P2=3,1×l0Pa,p=1.0×10a)O口ep符号说明0.40c——床层气相浓度,nolm30.35c——床层气相总浓度,molm-3D—微孔扩散系数,cm2s-11.0D——床层轴向扩散系数,cm2s-1K——吸附平衝常数0.20k—气固传质系数,s0.151618202224L—吸附床层长度,cm吸附塔压力p——吸附操作阶段压力,PaFig 6 Unit performance ts retaining time均压操作阶段压力,P(tn=60s,l=2s,P2=3.1×10Pa,Pp=1.0×10Pa)P吹扫操作阶段压力,PaO囗exp.;sinu.吸附相浓度,mom-3吸附平衡浓度molm下,在所考察的范围内,适当延长吸附阶段的时微孔半径,cm间,在产品纯度并无明显改变的前提下,可以显著床层温度,K提高氮气回收率t-90时吸均气间附压相时时流间间0.27速操作条件下吸附阶段入口流速-操作条件下吹扫阶段入口流速摩尔分数607080Z—量纲1床层长度z—床层长度变量,cmFig. 7 Unit performance us operating perica——吹扫/进料流速比c床层空隙率OD exp保留时间——传质系数乘积因子结论上角标从实验和模型化两方面对SA空分制氮过程下角分初始状态进行了较为深入的研究,得出如下结论A—氧组分590化报2000年10月1333-1343References4 Hassan MM, Raghavan NS, Ruthven D M. CES, 1987, 428):1 Raghavan N S, Hassan MM, Ruthven D M. AlChE J., 1985, 31(3):385-395 Farooq S, Ruthven D M, Boniface H A. CES, 1989, 44( 122 Raghavan N S, Ruthven D M. AIChE J, 1985, 31( 12): 20172809-28166 Lu Hong Fi ). Experimental Study and Numerical Simulation of Ai3 Hassan MM, Ruthven DM, Raghavan N S CES., 1986, 41(5)Separation by Pressure Swing Adsorption Process: dissertation I i1iex). Beijing: Beijing University of Chemical Techno1998PSA PROCESS FOR NITROGEN PRODUCTION FROM AIRLu Hong and Li ChengyueCollege of Chemical Engineering, Beijing University of Chemical Technology, Beijing 100029)Abstract The PSA( Pressure Swing Adsorption )cycling process for nitrogen production based on the adsorption sepa-ration of air on a commercial carbon molecular sieve was systematically studied. Experimental investigation was carriedout with a pilot plant packed with BF-CMS of 15kg. Transient axial concentration and temperature profiles were measured with a set of seven probes respectively by means of a PC-data gathering system. A mathematical model describing this process was also developed which included a Linear Drive Force mass transfer equation and a Henry adsorptionequilibrium equation. Some of results obtained in a pilot plant mainly product purity and nitrogen recoverymovement of concentration profile in the adsorption bed during adsorption and purge steps ) and comparison between ex-perimental data and results predicted by the model were reported. The reliability of the model was verified and parametricanalysis based on the model was completed. The experimental study and numerical simulation showed that for an existingPSA air separation system a set of specific operating parameters could be found it to obtain optimum performance withthe help of numerical simulation. The model could predict the performance of Psa air separation system perfectlyKeywords air separation, PSA, nitrogenTo whom correspond第51卷第5期卢洪等:变压吸附空分制氮过程的研究9附录变压吸附空分制氮数学模型PSA空分制氮过程的动态行为可以用如下方程组来描述(1)流动气相各组分质量衡算D0(1)1-)q=0(2)式中(2)气相总质量衡算3)气固质量传(固相质量衡算)kAqa-9A)(5)式中gA =KACA书=KBCB=K(c1-cA)A·Dr2·D./r2lg如果不计二阶轴向扩散项,则式1)~式3冲只有两个是独立的,例如可以保留式1厢和式3),因而模型微分方程由式1),式3)~式5成(4)边界条件DL(6)(7)=0=10(加压吸附时)(降压均压时)降压吹扫时)(8)=(t)(加压均压时)y(9)#:指该值为另一塔均压阶段出口处流速5)初始条件洁净床层z0)=0;q(z0)1(z0)(10)饱和床层cAz 0)=cA: 9(z 0)=KACA(:D)=k=K(e2-g式中z=0指沿流体流动方向的床层入口处L指沿流体流动方向的床层出口处