变压吸附空分制氧体系轴向流吸附床浓度分布研究

第29卷第1期低温与特气VoL 29. No2011年2月ow Temperature and Specialty Gase工艺与设备变压吸附空分制氧体系轴向流吸附床浓度分布研究刘应书,郑新港,李永龄,张辉,刘文海(北京科技大学机械工程学院,北京100083)摘要:采用二维数值模型对变压吸附空分制氧过程吸附床内的氧气浓度分布进行了研究,同时对吸附相中氧气和氮气浓度也进行了探讨。数值结果直观地显示了吸附床内的浓度场及其分布规律,并据此结果分析了吸附床内浓度演变过程。发现,在首个循环结束时氧气浓度可提纯到70%左右;在循环稳定后,传质区长度约占整个吸附床的35%左右,在传质区前沿存在陡峭的浓度波锋面;边流效应的存在使得浓度锋面呈月牙形分布,并且会使壁面过早地穿透,影响吸附床性能关键词:二维;吸附床;浓度;数值模拟中图分类号:TQ028.15文献标志码:B文章编号:1007-7804(2011)01-0008-07doi:10.3969/jisn1007-7804.201l01.003The Concentration Distribution in The Axial-Flow AdsorberLIU Yingshu, ZHENG Xingang, LI Yongling ZHANG Hui, LIU WenhaiSchool of Mechanical Engineering, University of Science and Technology Beijing, Beijing 100083, China)Abstract: In this paper, the concentration distribution in the adsorber is studied by using the two-dimensional modelmeanwhile the loading of oxygen and nitrogen in the sorbent is also investigated. The numerical results clearly show the con-centration distribution and its evolution with time. It is found that at the end of the first cycle, the concentration can be pu-rified to 70%. At the cycle steady state, the length of mass transfer zone is about 35 percent of the total adsorber and thereis sharp concentration wave in the mass transfer zone. The existence of maldistribution made the concentration wave frontappear a crescent-shaped distribution and made the wall near-by breakthrough early, which would effectsKey words: two-dimension; adsorber; concentration numerical simulation数值模拟是研究吸附床内传递现象的重要方的 Ergun方程,而床层的压力随时间的变化则采法。通常的变压吸附数值模型都是一维活塞流模用经验或者半经验公式描述,如线性变化公式3型,忽略了径向的梯度而仅仅考虑轴向的扩散和流多段线国、二次曲线。一维模型的主要优点是动。在描述多组分气体的吸附平衡时常用Lang在提供足够信息的同时能够大量节省计算时间。目mu或者改进的 Langmuir方程;在描述从气相到前,研究者已经采用此类模型研究了空气分离过颗粒内的质量传递时,常用的模型是线性驱动力模程、voC脱除、气体的干燥除湿田、甲烷型2或者改进的线性驱动力模型,最近有研究的回收等。总体而言,一维模型已经取得了很者采用含尘气流模型来考虑颗粒内部的四种质量传大的进步并对优化吸附工艺提供了很大帮助。递过程;在处理床层的压力分布时采用半经验然而,在研究吸附床的结构时,尤其是针对大收稿日期:2010-1212基金项目:国家高技术发展计划(863)项目(2004A063201)第1期刘应书,等:变压吸附空分制氧体系轴向流吸附床浓度分布研究直径矮床层或者径向流吸附器,往往需要研究同时1数学模型及计算方法发生在轴向和径向的传递现象,此时就特别需要二维或者三维模型来研究吸附床内的吸附分离过程。1.1物理模型另外,由于通常情况下吸附床内压力随时间的变化是事先不知道的或者难以测量的,那么采用经验公针对变压吸附空分制取较高浓度氧气的过程进式来计算是具有一定局限性的。行研究,建立如图1所示物理模型。吸附床为圆柱形轴对称结构,吸附床直径80mm,长度500mm,基于以上研究中的不足,作者首次采用二维模其中进气口(m)、出气口(a)直径为8m对模型进行了实验验证,发现二维模型能够对两个端部死空间高度分别为h1=16mm,h2=14吸附床内的传递过程给出良好的预测,二维模型的mm。吸附床内装填各向同性的球形Lx沸石分子建立及求解为吸附床结构设计和参数优化奠定了基筛,直径为1.6mm。吸附分离过程由升压、吸附、础。本文的目的是在前文研究的基础上深人研究吸降压和反吹4个基本阶段构成。由于氧、氩在沸石分子筛上表现出非常接近的吸附特性,为减少模型附床内的浓度分布,旨在揭示吸附床内部的浓度分布及其变化规律,为吸附床结构优化提供理论指中方程的个数,认为空气由氧、氮两种气体构成(氧/氮=21/79)导nmWall ( adiabatic)DeadWEntranceZ GasAdsorbentTout图1物理模型Fig 1 Physical mo1.2数学模型数吸附过程的传质推动力模型连续性方程氧氮分子在沸石分子筛颗粒内的传质属于大孔扩散控制过程,传质阻力主要来自气体在颗粒大孔dep+V(e,e 1)+2s,=0内的扩散阻力,其传质速率可由线性驱动力模型( LDF model)表示s,=(1-a)p100atk (qi-q)(1)式中,。为空隙率;M为气体摩尔质量,g/mol;吸附等温线方程为气体的吸附速率,mol/(kg·s)at气体吸附等温线采用双组分的 Langmuir方程组分方程计算,其方程如下:Pdep,:+V(Prey )-v(D,py.)+S,=0(2)动量方程K=k1exp(学),b=exp(学)由于气体的吸附会引起动量的损失,所以动量式中,P为气体分压,kPa,b4、q为 Langmuir常方程中除了传统的 Ergun动量源项外,添加了一个10低温与特气第29卷由于吸附引起的动量变化项。为温度。(Pru)+V(pvv)=-Vp+HfV'u+F (7)径向空隙率分布床层空隙率在近壁处和远壁处的分布相差很F=-{+C2p1||+(8)·大,这一强烈的不均匀性直接影响着流体的分布。本文采用 Nield and Bejan等给出的公式计算径向空能量方程隙率的分布。aLso,,+(1-8)P, E,+v[ v(P Er+p)E=0.4[1+1.4exp(-5y/d)]121.3计算方法=V[kdVT+(F·v)]+s(9)采用上述模型与定解条件,方程的离散化采用有限体积法,利用计算流体力学软件 Fluent对离散s=(1-p(-△Ba(10)方程进行求解,采用了耦合算法求解器。边界条件式中,于为气体的可压缩过程的粘性耗散项。及求解方法详细介绍参见文献[13]。气体状态方程P(11)2吸附床气相组分浓度分布特性分析式中,R为气体常数;M为气体摩尔分子质量;T2.1第一个循环周期结束时气相以及吸附相组分浓度分布(a)升压;(b)吸附;(c)降压;(d)反吹(a)pressurization;(b)adsorption;(c)depressurization; (d)purge图2第一个循环周期内各阶段结束时刻氧气浓度分布云图Fig 2 O, concentration contours at the end of first cycle图2为第一个循环周期内各个阶段结束时刻气吸附床中氧气浓度可达50%;同时由图2可见相中氧气浓度的分布云图。由图2可清楚看见气相由升压步骤到吸附步骤传质区域是逐渐被压缩变小氧浓度随时间和空间的变化情况,图中氧浓度变化的,而在降压和反吹阶段,传质区域又被拓宽,这剧烈的区域为传质区,在传质区前端为已吸附区,为新的吸附循环做好了准备。另外,可以发现在升在传质区后面为未吸附区。在升压和吸附阶段,随压阶段结束时刻,产品端死空间内存有较低浓度的着传质区的前移,较多的氮气进人吸附剂颗粒气体,这是由于存于此的气体在初次升压没有得到(被吸附),氧气得以富集,在首个升压结束时刻提纯所致。而降压阶段,存于产品端死空间内较高第1期刘应书,等:变压吸附空分制氧体系轴向流吸附床浓度分布研究浓度气体则对床层提前进行了冲洗。气相中氧气浓度的分布曲线。由图可见,升压阶段结束时刻,沿吸附床长度方向气相中氧气浓度呈增升压加趋势。在吸附床前半部分,氧气波变化较为平a0.6吸附缓。在吸附床后半部分,氧气浓度波变化幅度较大,并且形成了一个氧气浓度平台。吸附阶段结束04时刻,气相中氧气浓度沿吸附床方向逐渐增加。在03吸附床出口处,浓度波接近穿透吸附床。降压阶段结束时刻,氧气浓度沿吸附床反方向呈减少趋势。反吹阶段结束时刻,沿吸附床方向气相中氧气浓度000102030405:呈增加趋势。在吸附床出口端,出现一个氧气浓度吸附床长度/m波平台。这是由于反吹气流对吸附床的逆向反吹形成的0.14升压、(b图3(b)为第一个循环周期内各阶段结束时吸附相氧气浓度的分布曲线。从图中可以看出,各0.10阶段结束时刻吸附相中氧气浓度分布曲线的形状和※008气相氧气浓度分布曲线形状十分相似。其原因是,0.06004沸石分子筛吸附氧氮属于平衡吸附过程,传质速率较大,气相和吸附相能够在短时间内达到或接近平衡状态。0.00.102030405图3(c)为第一个循环周期内各阶段结束时吸附床长度/m吸附相中氮气浓度沿吸附床的分布曲线。由图可见,升压阶段和吸附阶段结束时刻,吸附相氮气浓14吸附度沿吸附床呈降低趋势,并且吸附阶段结束时吸附相氧气浓度高于升压阶段结束时吸附相的氧气浓度,其差值就是吸附阶段分子筛吸附氮气的量。降长到了感罡压阶段结束时刻,吸附相氮气浓度沿床长度方向基本不变,处在较低的水平。而由于反吹气的作用反吹阶段结束时刻吸附相氮气浓度在吸附床出口存在明显降低。0.00.10.20.304052.2循环达到稳定状态时气相和吸附相中组分浓吸附床长度/m度分布(a)气相氧气浓度;(b)吸附相氧气浓度;经过大约6个循环,整个过程达到循环稳定状(c)吸附相氮气浓度态。图4显示了在循环稳定状态各循环步骤结(a)O, concentration in the gas phase;(b)O, concentration in the adsorbed phase;束时刻吸附床中氧含量分布云图,可以发现图4与(c)N2 concentration in the adsorbed phase图2的氧浓度分布规律大体是一致的,只是在传质图3第一个循环周期内各阶段结束时组分浓度分布曲线区域氧浓度梯度更加陡峭且靠近吸附床出口;另Fig 3 The profiles of different speciesat the end of first cycle外,在产品气端死空间内也不存在较低浓度的氧气图3(a)为第一个循环周期内各阶段结束时低温与特气第29卷(a)升压;(b)吸附;(c)降压;(d)反吹。(b)adsorption;(c)depressurization;(d图4循环稳定时刻吸附床内浓度分布云图Fig 4 Concentration contours at the end of cycle steady state图5(a)为各阶段结束时气相中氧气浓度的以看出,升压阶段和吸附阶段结束时吸附相中氧气分布曲线。由图可见,升压阶段结束时刻的氧含量浓度分布和气相中氧气浓度分布曲线十分相似。而沿吸附床呈上升趋势,在吸附床中形成了较陡峭的降压阶段和反吹阶段结束时吸附相氧气浓度分布曲浓度波锋面,近似于 Ruthven等描述的压缩波(,线与气相氧气浓度分布曲线存在明显差别。其原因在浓度波锋面之前,吸附床已基本达到饱和状态;在于:升压和吸附阶段结束时吸附床处于高压状随吸附床高度增加氧含量的变化很小,浓度波锋面态,而降压和反吹结束时吸附床处于低压状态。并所处区域为传质区,气相组分与分子筛的传质过程且吸附相中的组分浓度与气相中的摩尔浓度存在线主要发生在该区域,气相组分含量变化最大;在浓性关系,而与气相组分的体积分数没有直接关系。度波锋面的后面氧氮分离过程已基本完成,气相组另外,由图中可以发现,在靠近产品端的吸附剂中分变化很小;降压阶段结束时刻的氧含量沿吸附床氧气的吸附量有所下降,这是由于压缩热引起端部相反方向呈逐渐下降趋势,没有形成浓度变化幅度空间温度升高,导致靠近此区域的吸附剂温度上较大的浓度波锋面;反吹阶段结束时刻氧含量沿吸升,从而吸附量减少121l。附床呈逐渐增加趋势,由于反吹气对吸附床的清洗图5(c)为循环达到稳定状态后,各阶段结作用,在吸附床进口端气相中的氧的摩尔分数为束时吸附相中氮气浓度的分布曲线,由图可见,升25%左右;而在吸附床出口端氧含量已经达到反压和吸附阶段结束时,氮气的吸附量沿吸附床长度吹气的氧含量反吹阶段结束时刻氧含量的分布,为方向呈减小趋势。并且存在氮气吸附量剧烈变化下一循环步骤升压阶段形成陡峭的氧含量奠定了基区,吸附相中形成了陡峭的氮气浓度波锋面。在浓础。另外,从中还可以看出,在升压阶段结束时刻度波锋面前面(靠近吸附床进口侧)床层已经达氧气浓度波锋面前沿已经进入到吸附床90%的位到或接近饱和状态,在锋面后面(靠近吸附床出置,而其后沿在吸附床55%的位置(见4中虚线口侧)床层吸附相氮气浓度很小。吸附阶段结束标注),传质区约占整个吸附床的35%左右。因此时与升压阶段结束时氮气浓度曲线之间的区域就是对于循环周期较短的氧氮分离过程而言,升压阶段吸附阶段床层吸附氮气的量。降压和反吹阶段结束在整个循环过程中起着非常重要的作用。并且传质时,由于吸附床内为低压条件,床层吸附相氮气浓阻力对变压吸附过程的影响非常大,不能近似认为度较小,分子筛床层解吸再生。并且由于反吹气的是瞬时平衡过程。作用,反吹阶段结束时比降压阶段结束时床层吸附图5(b)给出了循环达到稳定状态后,各阶相的氮气浓度更小。由此可以得出,对于平衡吸附段结束时刻吸附相中氧气浓度分布曲线。从图中可分离过程,采用轻组分对吸附床进行反吹清洗不但第1期刘应书,等:变压吸附空分制氧体系轴向流吸附床浓度分布研究可以提高气相中轻组分的浓度,同时还可以明显降不同于床层中心部分的浓度分布,也即存在边流效低强吸附组分在吸附相中的浓度。因此,利用反吹应或壁面效应。这种边流效应对轴向氧浓度的影响气对床层清洗可以大大提高产品气中的氧气浓度。示于图6。由图可见,在升压初期也即是反吹结束时刻,进气端附近壁面处(L3)氧气浓度略高于中心部分(Ll和L)氧气浓度,这是由于反吹气一升压20.8吸附体反向流动引起的壁面浓度分布不均。另外还可看806°降压见,随着升压步骤的进行直到吸附终了整个过程反吹可以看到壁面附近氧气浓度较床层主体部分推进得更深,更加接近产品端,也就是说壁面处会更早地穿透。即在设计吸附床时要考虑边流效应的作用,以壁面附近的穿透为准,或者采取一些相应的措施000102030.40.5来消除或降低边流效应,否则壁面过早地穿透会影吸附床长度/m响吸附床的性能,给生产过程带来危害045040(b)吸附降」L20.8吸附终了02506吸附初期升压初期妍0100.4000c000.1020.30.0.00.10.203040.5吸附床长度/m吸附床长度m1.2图6不同轴向曲线上氧气浓度分布1.0Fig 6 Profiles of O2 concentration along081different axial lines04升压3结论-吸附感要0.0密反吹(1)采用二维数学模型分析了吸附床内的浓000.1020.3040.5度分布规律,模型中考虑了吸附引起的变质量流吸附床长度/m动,另外对径向空隙率分布也予以考虑,数值结果(a)气相氧气浓度;(b)吸附相氧气浓度;()吸附相氮气浓。直观地显示了吸附床内的浓度场及其分布规律,并(a)pressurization;(b)adsorption;分析了吸附床内浓度演变过程;(c)depressurization;(d)purge.(2)模拟结果显示,在首个循环结束时氧气图5循环达到稳定状态后各阶段结束时组分浓度分布曲线浓度可提纯到70%左右;在循环稳定后,传质区Fig5 Concentration profiles at the end of cycle steady state长度约占整个吸附床的35%左右,在传质区前沿2.3浓度偏流存在陡峭的浓度波锋面;边流效应存在使得浓度锋在图2和图4中可以明显看到壁面附近的浓度面呈月牙形分布,并且会使壁面过早地穿透,影响14低温与特气第29卷吸附床性能。Ind Eng Chem Res,2010,49:11587-11593[11] GHOLAMI M, TALAIE M R, ROODPEYMA S. Mathe参考文献matical Modeling of Gas Dehydration Using Adsorption[1]RUTHVEN D M, FARooQ S, KNAEBEL K S.PressureProcess [J]. Chemical Engineering Science, 2010, 65:Swing Adsorption [M]. New York: VCH Publishers59425949[12] OLAJOSSY A, GAWDZIK A, BUDNER Z, DULA J.[2] GLUECKAUF E. Theory of Chromatography. Part 10Methane Separation from Coalmine Methane Gas by Vacu-Formulate for Diffusion into Spheres and Their Applicationum Pressure Swing Adsorption [J]. Institution of ChemicalChromatography [J]. Trans Faraday Soc,1955,51Engineers Trans IChemE, 2003, 81: 474451540-1551[13] ZHENG X, LIU Y, LIU W. Two-Dimensional Modeling[3]JEE J G, LEE JS, LEE C H. Air Separation by a Small-of the Transport Phenomena in the Adsorber During Pres-Scall Two-Bed Medical 0, Pressure Swing Adsorption [J]sure Swing Process [J]. Ind Eng Chem Res, 2010, 49:Ind Eng Chem Res, 2001, 40: 3647-365811814-11824.[4] SERBEZOV A, SOTIRCHOS SV. Mathematical Modeling [14]LIU Y, ZHENG X, KWAPINSK W, ZHANG H, LY,of the Adsorptive Separation of Multicomponent Gaseous LU X. Verification of Two-Dimensional Simulation of Ad-Mixtures [J]. Chem Eng Sci, 1997, 52:79-91sorption Process from Breakthrough Experiment with Var-[5] TODD R S, WEBLEY P A. Macropore Diffusion Dustyying Adsorption Pressure [J]. Ind Eng Chem Res. UnderGas Coeficient for Pelletised Zeolites from Breakthroughreview(2010).Experiments in the 0,/N, System [J]. Ind Eng Chem [15] REGE S U, YANG R T. Limits for Separation by AdsorpRes,2005,60:45934608tion with LiX Zeolite [J]. Ind Eng Chem Res, 1997, 36:[6] CRUZ P, MAGALHAES F D, MENDES A.Generalized5358-5365.Linear Driving Force Approximation for Adsorption of Mul- [16] NIELD D A, BEJAN A. Cobicomponent Mixtures [J]. Chem Eng Sci, 2006, 61:IM]. New York: Springer-Verlag, 2006.35193531.[17] MAHLE JJ, FRIDAY D K, LEVAN M D. Pressure[7] ERGUN S. Fluid Flow through Packed Columns [J]ing Adsorption for Air Purification. 1. Temperature Cye-Chem Eng Prog, 1952, 48: 89-94ling and Role of Weakly Adsorbed Carrier Gas [J]. Ind[8] SUN L M, QUERE L, LEVAN M D. Numerical Simula-Eng Chem Res,1996,35:23422354.tion of Diffusion- Limited PSA Process Models by Finite Dif- [18] LU Z P, LOUREIRO JM, LEVAN M D, RODRIGUES Aference Methods [J]. Chem Eng Sci, 1996, 51:5341E. dynamics of Pressurization and Blowdown of an Adia-batic Bed: Ill [J]. Gas Separation& Purification, 1992[9]SILVA J A, RODRIGUES A E. Separation ofn/iso-Paraf-6:15fins Mixtures by Pressure Swing Adsorption [J]. Sep PuriTechnol,1998,13:195-208.作者简介:[10] AMARI A, CHLENDI M, GANNOUNI A, BELLAGI A刘应书(1960),男,北京市人,博士,教授,研究方Experimental and Theoretical Studies of vOC Adsorption on向:气体分离与纯化,高炉煤粉富氧喷吹。Acid-Activated Bentonite in a Fixed-Bed Adsorber [J]欢迎投稿。欢迎订阅,欢迎刊登广告!