真空变压吸附空分制氧等温与非等温过程模拟比较

Vol 25 No 4第25卷第4期南京工业大学学报2003年7月JOURNAL OF NANJING UNIVERSITY OF TECHNOLOGY真空变压吸附空分制氧等温与非等温过程模拟比较王啸,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:应用动态柱穿透法测定的空气中氣-氧吸附平衡数据模拟两床真空变伍吸附(VSA)空分制氧中等溢与非等區过程;在SA过程糗拟中探讨了吸附压力、逊料流量和冲洗比等过程操作条件以及嗄附过程中湿度的变化对产品气氧的纯度、收率和产率的影响,为ⅤSA空分制氧过程提供一定的设计依据。关键词:真空变压吸附;空气分离;制氧;等滥与非等濫过程:樸拟中图分类号:T0028文献标识码:A文章编号:1671-7643(2003104-009-06变压吸附空分制氧包括冲洗解吸的变压吸附过程的优化提供一定的指导(FSA)和抽真空解吸的真空变压吸附(VSA)两种工艺。与閃A工艺相比,ⅤsA工艺具有生产规模大、1循环过程与数学模型能耗较低、过程较复杂等特点~引。同时在200vd(x(O2)=90%~94%)规模以内,VSA工艺制氧与1.1WSA循环过程深冷法相比,其有投入较低操作简单灵活和装置易真空变压吸附空分制氧的吸附压力一般为110启动易停等特点21。180kPa,而真空脱附压力一般为20~50kPa,其吸附剂性能的改进和工艺过程的优化一直是变所用的吸附剂有CaA、Nax、CaX和Lⅸx等34。人们压吸附技术研究的重点。H前,变压吸附工艺条件对ⅤSA工艺的研究发现一次均压优于两次均压,低优化的研究主要是通过实验和过程模拟相结合来实压冲洗再生更有效以及两床比三床转换更快和有更现。模拟空分制氧循环过程的数学模型中对床层温高的吸附剂使用效率67度变化的考虑一般采用3种方式:等温状态、绝热状本文根据文献采用一次均压和抽空后冲洗再生态和非等温状态3然而还没有比较这3种方式的两床ⅤSA空分制氧过程并釆用六步循环,其中吸的文献。本文通过对等温与非等温状态的ⅤSA空附压力为10kPa和110kPa,脱附终压为20kPa;其分制氧过程的模拟比较来探讨实际过程中温度的变步骤时间配置如表1所示。化对产品气氧的纯度、收率和产率的影响;为WSA表1两床VA空分制氯过程循环步骤及时间Table I Cycle sequence and atep lime of VSA for O pro床层1FP(5 s)AD(10~15g)DE(5s)DP(10~158)PG(5 s)ppE(5 8)味层2DP(10~15s)G(5s)PPE(5 s)FP(5 sAD(10~15DPE(5 s)AD吸附DPE一均降DP抽真空P一冲洗均升F原料气充压VSA动态模拟采用的假设为1.8动为轴向分散活塞流模型;(5)气体组分的吸附平衡(1)气体为理想气体;(2)忽略床层轴向压力降;模型为负载比关联(LRC)吸附平衡模型;(6)传质速(3)吸附和冲洗步骤中压力为常数,充压、均降、均升率方程为IDF模型;(7)气相和固相的热传递瞬间和逆放步骤的压力随时间呈指数型变化;(4)流体流平衡;(8)空气中只考虑氮和氧的存在。收稿日期:20030109作者简介:上哺(1967-)男江西上尚人,助工,博上生,主要研究方向为传质与分离南京工第25卷O2收率=(吸附步骤出O2量-冲洗步骤耗O2量)/(吸附步骤进O2量+充压步骤进O2量)冲洗比(P/F)=冲洗步骤耗O2量/吸附步骤a7Peh l,soV lisn(T I2出O2量O2产率=产品气的O2量(mol)/(吸附剂的质量(kg)×时间(h))(2)冲洗和均升阶段1.2数学模型58本模型考虑了吸附等温线非线性和吸附引起的流速变化传质阻力传质及传热的轴向扩散,并且物性参数是温度和压力的函数,因而模型中考虑了Pe Iis,VI实际过程中非等温性。在等温状态时,数学模型忽略了床层中温度的变化即模型中不考虑气固能量。-0衡算方程(3)和末壁能量衡算方程(4)对床层进行T=Phl2Vl21(r,-70/7)物料衡算及能量衡算得出以下模型方程。az红分质量平衡方程(3)均降和逆放阶段a2az总质量平衡方程:97Dac其中Pe=u0L/D2Peh=uo4Cx/K.(9)(2)气体恒压热容是温度的函数,混合气体总热容气固相能量平衡方程由各组分热容的加合。Ca(uT)CgyCig(10)at Rb(T-T)=0(3)空隙流速的边界条件1):床壁能量衡算方程:1)均降和均升步骤al:=o=02)充压和逆放步骤u4L=0;Pw ws a =2xRi h: (T-T)-2xRh(T -Tam)3)吸附步骤a(4)4)冲洗步骤u12=0= lL其中Aw=π(R-R)VSA循环的初始状态为洁净床层,其中每步的吸附平衡(LRC)方程:q=quip i(5)结束状态是下一步骤的初始条件。+∑b通过固定床动态穿透法0实验测定空气中N2、O2在一定温度和不同压力下5A沸石中的动态平衡其中吸附等温线中参数与温度有关,可以表述为:吸附量,并得出在20℃和35℃时的吸附等温线,见qmi=kI-k2T, b,= k3exp ( k4/T), n;= k5-k6/T图I和图2;应用吸附平衡的RC模型对吸附等温传质速率(UDP)方程:当=(q-)(6)线进行拟合计算出模型中的参数和吸附热(表2)理想气体方程:c=P/F或c=P/RT(7)吸附剂和床层的特性参数和动力学参数以及N2、O2变压步骤中压力的变化关系式:的物理参数分别见表3和表4P= Pend+(Pturt-Pend)e ar(8)将上述方程(1)~(6)进行无因次化,然后用正本文模型采用标准的 Danckwerts边界条件9:交配置法将其中的偏微分方程(PDEs)转化为常微(1)充压和吸附阶段分方程(ODFs);再利用Besi微分代数求解程序求解正交配置构造后得到的微分代数方程组;用Forn语言编写SA过程模拟程序。计算中选择第4期王啸等:真空变压吸附空分制氧等温与非等温过程模拟比较表3吸附剂和吸附床层的特性出1Table 3 Charateristics o adsorbents and adsorption rxl→293.|5k308.15K5A吸附剂形状吸附剂平均半径d/cm0.09吸附柱尺寸/cm4,8×0.2-50颗粒密度Pp/(g·cm-3)填充密度m/(吸附剂热容C,/(Jg·k-1)床层空隙率E总的空隙率E0.RN,)kPa床壁密度p/(gcm)床壁热容C/(Jg1·K1)图」空气中N2在5A沸石中的吸附等温线变压时间常数aFig. t isotherms in Nz in air al 5A zeolite内传热系数h2/(cm2K-t.s)3.85×103外传热系数h0/(Jcm2Ks-1)1.42×10-3IDF因子k(O2)/s0.51IDF因子k(N2)/s-10.146.00.040环境温度Tm/K293.15293.15表4空气中N2O2的物理特性21Table 4 Physieal prameters of N2/O in airAO)Pa物理特性a/(g".K) 0.799 8图2空气中O2在5A沸石中的吸附等温线Fig. 2 Isotherms of O in air at 5A zeolite热容参数b/(J·g-lK2)4.141×10-32.076×10-313个内配置点,SA循环中用空气充压,产品气氧组成gkK)-134×07-01092x10221.8的浓度和床层的温度达到稳定状态需12个循环。气体密度(g·cm2)1.429×1031.251×10-3表2空气中N和O2在5A沸石上的吸附平衡参数Table 2 Isotherm parameters LDF inefficients N2/O a 5A geolite2结果与讨论吸附平衡参数kIx 10/(molg")5,494本文采用国产的5A分子筛,吸附压力一般选k2×105/( mol'gi·K-1)1.1931.267择150kPa和脱附压力为20kPa和循环时间(5sk3 x 10/kPa0.508915s-5-15s-5g-5s)对等温和非等温下wSA空分制钗过程进行模拟。603.4753.I2.1吸附压力影响的比较吸附压力分别选择150kPa、10kPa,脱附压为k6/K572.720kPa,冲洗比P/F为0.10时进行模拟。循环过程平均吸附梦-△BOm)2001B1中产品气O纯度分别见图3和图4从图3和图4可知:产品气中O2浓度在等温状态比非等温时高,而且随进口流量的增加,两种状态南京工业大学学报第25卷7A Amur→等温VSA非等温vSA50mn,111t99图5150kPa,冲洗比0.10时,进口流量对等温和非等温图3在150kPa、0.10P∥F比时,不同进口流量下下产品气中O2的纯度、收率和产率的影响循环过程中O2纯度的变化Fig5 EHect of feed low rale on 0,(a)purity. (b)recovery and (c)Fig. 3 O2 purity nf production of various ferl few nale inproducivity of isothermal and nui-ishennal conditian at 150Hilfereot cele a 1s0 kPa an 0. 10 P/F ratiokPa and P/F rete(o 10)下更加明显,且随着进流量的增加等温状态的产6.0 Lmin率比非等温状态时更大。等温ⅤSA2.3冲洗比影响的比较在进口流量为5.0L/min时,选择冲洗比P/F在000~0.25的范围内,考察冲洗比对两种状态下SA空分制O2效果的影响,见图6。随着冲洗比的增加,产品气中Q2纯度逐渐增大,而O2收率和产3.5 l/min率却逐渐降低,而且等温和非等温两状态中的趋势相同图4在10kPa、0.10P/F比时,不同进口流量下循环过程中O2纯度的变化→等温AFig. 4 O purity of prode ion of various feed flow rate in dtiferent升(b)cycle al 110 kPa and 0. 10P/F ralio的O2浓度差别越大;同时,吸附压力越大,在同一流量下宀品气纯度越高,且两者的差别越小。2.2进口流量影响的比较选择进冂流量在3.5~9.0L/min范围内,吸附压力为150kP和冲洗比P/F为0.10对等温与非等温vsA过程进行模拟,结果如图5所示图6150kPa,50Lmin时,冲洗比P/F对产品从图5可知随着进口流量的增加,两种状态下中O2的纯度、收率和产率的彩响的产品气O2纯度随之降低,而O收率和产率开始Fig 6 EHect of P/F rte on O2(a)purity.(b)revery und增加后随之有降低的趋势;这种趙势在非等温状态(e) productivity at 150 Pa.5.0 1/min第4期王啸等:真空变压吸附空分制氧等温与非等温过程模拟比较53ⅤsSA循环过程在等温与非等温条件下床层中6个步骤O2浓度的变化趋势如图7所示。在等温下3结论(图(7b)的各步骤在床层出凵端的O2浓度都较非等温(图(7a)时高说明在产品气O2纯度一定时等在293.5K温度下,本文通过用实验测定的数温状态的空气处理量要比非等温时大,从而增加O2据对等温与非等温状态下两床真空变压吸附(sA)产率。图8为非等温VSA空分制O2床层中0.5和空分制Q2过程进行模拟,在木实验范围内得到如下0.86处温度的变化,在床层Z/L=0.50处温度变化结论约为7℃,而Z/=0.86处为4.5℃左右,说明在(1)在一定操作条件下等温状态的O2纯度、收非等温状态的床层中温度变化较明显。率和产率都比非等温时的高;而且吸附压力越小,两者的差别越大。(2)随着进冂流量的增加,产品气O2纯度随之降低,O2收率和产率开始增加后随之有降低的趋势;而在非等温状念下随流量的增加影响更大。(3)随着冲洗比的增加,产品气中O2纯度逐渐增大,而O2收率和产率却逐渐降低,且等温和非温两状态中的变化趋势相同。(4)VSA空分制O2循环过程屮温度变化对其产品气O2纯度、收率和产率有明显的影响,从而影响其工艺操作条件。通过VsA空分制氧中等温与非200ID等温过程的模拟比较充分说明了在变压吸附过程制O2中应考虑床层中热效应的影响符号说明图7在150kPa5.0Lmin和0.10P/F比条件下各步床壁截面积(cm2)骤在床层轴向O2浓度变化Fig. 7 O amerntralion profiles of diferent cycle step along theadsorption bed at 150 kPa, 5.0 1/min 0.10 P/F ratioAbcD等温线模型参数(kPa)气相热容(Jml-·K1)轴向扩散系数(cmk…·k6等温线模型参数KL轴向导热系数(Jcm-2K-s-1)ZF0.86LnP床层长度(cm)等温线模型参数床层总压(kha)P(O2)产品气氧的产率( mol kg.h)Z/F=0.5组分平衡吸附量( mol kg红分固相平均浓度(mlkg1)组分饱和吸附量(mdkg-")Rhi床层内径(cm)R(O2)产品气氧的收率(%)500600床层外径(cm)R气体常数(Jmol-1K-1)图8在150kPa、5.01/mn和0.10P/F比下,床层中不x(O2)产品气氧的摩尔分数(%)同位置温度的循环波动。气体流速(cms-1)Fig.8 Temperature swing in the adsorption bed of different location at床层轴向坐标150 kPa. 5.0L'min and 0. Io P/Fratio传质 Peclet数传热 Peclet数南京T业大学学报第25卷负载比关系式( the loading ratio corelation)线性驱动力( the linear driving force)40(16): 3647-365g adsorption[J. In! Eng(hem Res, 2001modical O pressure"g oxygen- rich gas[ PiLK:GB154895B,1983参考文献[7] Haruna K, Uoda K, Inoue M, el ad. PhIwmee fut pmxlucing oxyger[1: Ruthven DM, Farooq S, Knacbel K s. Pressure Swing Adsorptionenriched gas[ Pl. LSA: US4917710. 1990M]. New York: vCll publishers. 1994.「8周汉涛.变压吸附过程模拟D」,南京:南京工业大学[2 Budner Z, Dla J, Podstawa W, et al. Study and modeling of the[9] Danckwerts P V. Continuous flow systens distribution of residenceagenly g adsorption( VSA)process employed in the production oftimes[J]. Chem Eng S: i, 1953, 2(1): 1-13[0}翟尚跳,多功能吸附实验装囊及其应用(D].南京:南京工业[3]Kumar R. Vacuum swing adsorption prooess for axygen production大学,2001Historical Perspective[ J]. Sep Sci Tech, 1996, 31(7), 877-894]Rgsu, Yang R T. 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The effects on O2 purity, recovery and productivity of adsorption pressure, feed flow rate and P/F ratioat isothermal and non-isothermmal conditions were discussed in the modeling of O2 VSA, and it is helpful for the design ofVSA for O2 product from airKey words: vacuum swing adsorption; air separation; O2 product; isothermal and non-isothermal process; simulation