变压吸附空分制氧非等温过程模拟

第25卷第3期南京工业大学学报2003年5月JOURNAL OF NANJING UNIVERSITY OF TECHNOLOGYMay 2003变压吸附空分制氧非等温过程模拟周汉涛,马正飞,姚虎卿南京工业大学化学化工学院江苏南京21000摘要∶就变压吸附空气分离制氧过程对接近真实情况的非线性、非等温模型构成的偏微分方程组采用正交配置进行空间离散化和三阶半隐式龙格库塔法的数值计箅方法研究了变压吸附过程中床层内温度和浓度的动态行为考察了清洗比、吸附压力、进气流量、吸附时间等操作参数对过程性能的影响为过程优化设计建立基础。关键词:变压吸附;空分制氧;非等温;模拟中图分类号:TO028文献标识码:A文章编号:1671-764x2003)3-0039-06自20世纪70年代基于吸附选择性的空分体系骤及时间分配如表1所示。商业化以来,SA制氧技术在炼钢、焊接、医疗、制表1过程循环步骤及时间药、发酵、造纸、环保、水产等领域都得到了广泛的应Table 1 Cycle sequence and step time用。变压吸附气体分离过程是一个动态过程描述层1ADDP其动态过程的行为是偏微分方程组构成的模型操时间/作性能和参数之间为复杂的非线性关系实验研究床层2PGPP时间/与数学模拟均不简单工作量大所以变压吸附气体AD吸附DE均压降DP卸压PG清洗PPE均压升FP原料气冲分离技术存在着商业开发领先于理论研究的问题。压。对它的理论研究远不如变温吸附过程深入,尤其对多组分、多吸附剂、非线性吸附等温线、非等温和非吸附过程流程示意图如图1所示。平衡吸附的变压吸附过程的理论研究较为缺乏1-41不能适应工业应用的要求。采用计算机数值模拟计算的方法研究变压吸附过程的动态行为揭示操作参数和过程性能之间的关系对于指导试验工作进行过程优化设计有着重要的意义。本文将采用非等温模型的模拟计算来研究影响变压吸附制氧过程性能的诸多因素考虑所用模型及数值计算方法的通用性和高效性。模拟内容反映吸附床层内温度和浓度的动态行为以揭示变压吸图1二塔制氧变压吸附流程示意图附过程操作参数清洗比P/F、吸附压力、进气流量、Fig. I Schematic diagram of the apparatus for a two-bed O, PSa process吸附时间与氧气纯度、回收率之间的关系为变压吸附制氧过程的优化设计提供了基础。建立用于描述变压吸附过程的数学模型采用如下假设气体为理想气体流体流动模型为轴向分散数学模型活塞流模型油向流速在床层内可变化涊忽略吸附时床层轴向压降;传质速率方程可用线性推动力变压吸附过程选取经典的二床六步骤循环,(DF模型描述等温线模型为负载比关联LRC舶的南京工业大学学报第25卷Langmuir吸附模型煆假设气相和固相热传递瞬时平B=k3ex(k4/To)n=ks+k6/To衡变压吸附过程中变压步骤的压力呈指数型变LDF传质速率模型化5见式1P= Pend +((1)变压吸附循环过程中压力的变化情况如图2。床内壁的传热系数6和外壁的自然对流传热系数71分别通过下面二式关联h;=3.404ag ega e)e-6d/D8(9轴向分散系数D1通过 Edward8l关联式计算得到:D1=0.73Dx+1+9.7D/udn(10)00如4如热分散系数由以下经验关联式得到91:KL/Ag= Kio/Ag+oPrRe(11)本文模型采用 Danckwerts0边界条件图2一个循环过程床层压力变化(1)压和吸附阶段Fig. 2 Pressure swing history during one cycled yi对床层进行物料及热量衡算可得以下模型方程p Cpgl流动相模型(2清洗和均压升阶段DL0dtDIaz l:sl总传质平衡方程az.=pg Gpg TIaCl(uc)+aC(3均压降和卸压阶段(3)气固相能量平衡模型aTd70TEKl az2 pg Cx(ep, Cg +Pb Cs)T床层的初始状态为洁净床层。△1)∑T-T)=0(4)物性数据、吸附剂、床层特性参数及动力学参数床壁能量衡算方程取自文献1112由于本文采用的模型为非等温情形考虑了吸pC、A=2xR1h(T-Tw)-附等温线的非线性、吸附引起的流速变化、传质阻2πRnh(Tw-T)(5)力传质及传热的轴向扩散、物性参数是温度和压力其中A=R2-R)的函数因此模型接近真实情况。负载比关联LBC舶 Langmuir吸附平衡模型B P2计算方法(6)第2期周汉涛等变压吸附空分制氧非等温过程模拟41然后再应用常微分方程组的数值求解方法进行数值再生越完全氧气纯度也越高而反过来清洗耗氧量求解。上述模型中的偏微分方程组采用正交配置的增大使得回收率降低。法13在轴向上进行离散化使之成为一系列常微分方程组。常微分方程组的数值积分采用三阶半隐式Runge-Kut法去。采用正交配置的优点在于在获得同样的准确度下只需要较少的变量离散点洏半隐式sRunge-Kutta法既适合求解显式 Runge Kutta不能有效求解或不能求解的陡峭常微分方程组体系,又可3105同时求解微分代数方程组体系,计算时间较少。计00000算程序用 FORTRAN语言编写任何复杂的PA分离过程都可以分解为一系0550600.5650.700750.800.85090095列相对简单的步骤而且每个床层都经历同样的过程步骤因此解一个吸附床层的模型方程并循环起来就可以得到整个过程的解。这种方法不受床数图39.0( STP )min时不同压力及P/F下的氧气纯度与回收率的限制可以用于任意床数的过程模拟。计算过程Fig.3O2 purity and recovery at2×103,3×103,4×105 Pa and vari中每一步结束时保存床层轴向的组成和温度分布作ous P/F ratios with the feed flow rate of 9.0 I( STP )min为下一个步骤的初始值。吸附和均降步骤中不同时间离开床层的气体组成、温度和流速以数组的形式3.2吸附压力保存经过线性插值作为清洗和均升阶段的进气条图3为不同清洗比值下压力对氧气的纯度与回件收率的影响关系。从图3中可看出压力在低清洗比值下的影响比在高清洗比值的大。随着压力的增3结果与讨论大氧气的纯度升高而回收率降低,这与Famo1的试验和模拟结果一致。回收率的降低是由于吸附模拟计算为跟踪床层浓度及温度的动态行为。过程吸附氧气的绝对量比较大但卸压过程的损失模拟计算结果表明层中温度从波动到达稳态比也较多的缘故。浓度从波动到达稳态慢温度一般要在15个循环后图4为不同吸附压力下两种清洗比时吸附阶段逐渐达到稳定而浓度在几个循环就能达到稳态。床层内氧气的轴向摩尔分数分布。从图4上可看床层内浓度的变化是很难测定的因此模拟床层内的浓度变化是有意义的工作。为考察清洗比(P/F)吸附压力、进气流速、吸附时间等操作参数对过程性能的影响即对回收率与纯度的影响氧气纯度为吸附过程出气的体积平均值)定义回收率与清洗比如下O3回收率=(吸附过程产品气氧气总量-清洗过程耗氧总量)(原料气冲压和吸附阶段进气氧气02PF=060总量)×100%=KO2)P/F=清洗过程耗氧量/吸附过程进气氧总量Z/L3.1清洗比清洗比P/F对氧气纯度与回收率的影响见图图49.0sm)m,0.60P/F和090P/F下吸附压3、5、x氧气纯度用R(O2表示在图35、7中随力对氧气在吸附阶段轴向摩尔分数分布的影响着P/F的增加氧气的纯度上升,回收率降低。但Fig, 4 Effects of adsorption pressure on O2 concentration profiles alo42南京工业大学学报第25卷出在较高吸附压力时传质区变得陡峭床层在相同在相同清洗量下纯度自然升高。回收率随吸附时间时间內利用率提高纯度也越高但在压力大于3×的延长而增加因为在相同的清洗比下短吸附时间I03Pa时分布的差别很小,同文献15]一致。一般所得到的产品气量小当冲压阶段的时间不变时根工业变压吸附制氧过程的吸附压力选在3×105Pa据回收率的定义回收率必然下降。左右的原因也在此。3.3进气流量图5为不同流速和清洗比下氧气的纯度与回收率的变化情况。在图5中我们可以看出高流速的PF=090纯度比低流速的纯度低在13.0I( STP Ymin时纯度显著降低。另一方面氰气的回收率却随流速的降低而降低因为低流速下吸附阶段吸附的氮气相11.0 L STP) hnin13.0L( STP)Amin对多那么在清洗阶段需要相对多的产品气清洗P/F=060流速高回收率也相对较高0.00.10203040.506图64×105Pa,0.60P/F和0.90P/F下进气流量对85气在吸附阶段轴向摩尔分数分布的影响Fig 6 Eifects of feed flow rate on O concentration profiles along9.0L( STP) Aminthe adsorption bed11.0 L(STP)Aminpressure of4×1030.60,0.90P/Fati0.550600.650.700750.80085090095图54×105Pa时不同进气流量及P/F下氧气纯度与回收率AD step 30Fig 5 O2 purity and recovery between 9.0 I( STP)min11.0 I( STP )min, 13. 0 I( STP )min at various♂xP/F ratios under 4x 10 Pa85506006507075080085309095图6为相同压力下不同流速时吸附阶段床层内氧气的轴向摩尔分数分布。可以看出氧气的传质区随着流速的升高而变宽,即吸附阶段产品气随着图74×105Pa90( STP )min不同P/F条件下流速的增加床层尾端污染加重纯度下降。在低流两种吸附时间的氧气纯度与回收率速下吸附阶段床层尾端相对洁净但是由于氧气摩Fig 7 O2 purity and recovery between two different adsorptio尔分数高在随后步骤中损失更多回收率下降。在step times at 4 10 Pa 9.0 I( STP ymin, and various高清洗比下床层尾端氧气摩尔分数更高回收率下P/F ratios降3.4吸附时间上述模拟计算考察了清洗比(P/F入吸附压如图7为不同吸附时间对氧气纯度与回收率的力进气流速吸附时间等主要参数对过程性能的影影响。可见纯度随吸附时间的增加而降低回收率响可见影响过程的因素较多是一复杂的非线性关随着吸附时间的延长而升高。原因在吸附时间缩短系。通过计算机模拟计算的结果来了解各变量之第2期周汉涛等变压吸附空分制氧非等温过程模拟T气相温度T.床壁温度结论T环境温度气体流速x氧气摩尔分率y气相组分摩尔分率本文应用非等温模型模拟计算空分制氧变压吸床层轴向坐标密度床层空隙率E1床层总空隙率附过程研究过程的特征与性能得到如下结论λ。气体导热系数λ。吸附剂导热系数4.1模拟了变压吸附过程床层中氧气浓度与温度H气体粘度Re雷诺准数的动态变化。浓度达到稳态比温度快浓度达到稳P普朗特准数态大约需要10个循环而温度在15个循环后变化才减小参考文献4.2随着清洗比(P/F)的增加氧气纯度上升回[1李化治李宝善曾凤鸣变压吸附富氧过程的数学模拗J北收率下降在高清洗比(P/F)时纯度变化很小回京科技大学学报1995172):110-114收率持续下降;[2]冯晋晢张玉文陈流芳等,FA法分离空气基本原理和模型[J].低温工程997,427-324.3随着压力的增大氧气的纯度升高而回收率降[3]杨春育马宁宁焦玉海簿变压吸附空气分离过程的动态模低。压力在低清洗比(P/F)下的影响比在高清洗揽J石油炼制与化工1998291)9.53比P/F)在压力大于4×105Pa后纯度基本不【4]杨春育马宁宁焦玉海箐变压吸附空气分离过程中变压步骤的数学模拟J]石油化工A9982X4)335-344.4氧气的纯度随进气流量增大而减小回收率却5] Farooq S, Rathor M N, Hidajat K. A predictive model for a kineticallpressure swing adsorption separation proces[ J ]. Chem Er随流速的增加而升高484129-41414.5纯度随吸附时间的增加而降低回收率随着吸[6]袁渭康化学工程手册—一反应动力学及反应M]北京北附时间的延长而升高学工业出版社1996本文的工作为变压吸附制氧过程的优化设计提[7]陈学俊化学工程手册一传热及传热设备M北京北学工供了基础。业出版社1996[8] Edwards M F, Richardson J F. Gas dispersion in packed bed[ J]Chem Eng Sci 1968 23( 1): 109-123符号说明[9] Suzuki M. Adsorptionind M ]. Elsevier, Amsterdam 1990a变压时间常数床壁截面积[10 Danckwerts P V, Continuous flow systems distribution of residenceB等温线模型参数c气相浓度time J]. Chem Eng Sci,, 1953,X 1): 1-13C气相总浓度C气相热容[11]时钧汪家鼎余国琮籌化学工程手册化工基础数摭M]C.固相热容C。塔壁热容北京北学工业出版社,996d颗粒直径D1床层内直径12 Jee JG, Lee JS, Lee C H. Air separation by a small-scale two-bedD3分子扩散系数D轴向扩散系数medical O2 pressure swing adsorptior[ J ]. Ind Eng Chem Res, 20h;对流传热系数h自然对流传热系数403647-3658k传质系I 13 1 Sristava R K, Joseph B. Simulation of packed bed separation processes等温线模型参K1热轴向扩散系数using orthogonal collocation[ J ] Computers Chemical EngineerinL床层长度n等温线模型参数P床层总压组分平衡吸附量14 I Farooq S, Ruthven D M, Boniface H A. Numerical simuq:组分固相平均浓度qm组分饱和吸附量orption oxygen unit J 1. Chem Eng Sci2809-2816R床层内径R床层外径R气体常数t吸附时间15 Rege S U, Yang R T, Limits for air separation by adsorption with LiXzeolit J]. Ind Eng Chem Res 1997 36 5 358-5 365南京工业大学学报第25卷Simulation of non-isothermal pressure swing adsorptionfor separating oxygen from airZHOU Han-tao MA Zheng-fei, YAO Hu-qingCollege of Chemistry and Chemical Engineering Nanjing University of Technology, Nanjing 210009, ChinaAbstract:A more realistic mathematical model, in which axial dispersion, heat effects, mass transferresistancetion of velocity and nonlinear of isothermal were taken into account was developed to the pressure swing adsorption of aiseparation for oxygen. The orthogonal collocation method and third order semi-implicitKutta integration routinewere used to solve the resulting model of partial differential equations. The dynamic behavior of temperature and concen-tration in the bed and effects of operating parameters on performance of process were discussed including purge/feed ratio, adsorption pressure, feed flow rate and adsorption time. The simulation results are helpful in the process design andKey words: pressure swing adsorption oxygen air non-isothermal model simulation简讯《生物加工过程》第一届编委会召开《生物加工过程》是由国家新闻出版总署批准出版南京工业大学主办、中国化工学会生物化工专业委员会协办的技术类全国性期刊第一届编委会于2003年4月4日在江浦龙华大酒店由主编欧阳平凯院土主持召开。参加这次会议的编委为来自清华大学、浙江大学、北京化工大学、华东理工大学、深圳国家生化中心、中科院有关研究所等国内生物化工知名学者、专家。专家们就刊物的定位、办刊宗旨、办刊栏目、刊物发展等问题展开了热烈讨论。《生物加工过程》将于2003年5月份创刊发刊词由中国科学院外籍院土、美国国家工程院院士黎念之博士撰写。(学报编辑部)