第29卷第1期低溫與特氣VoL 29. No2011年2月ow Temperature and Specialty Gase工藝與設備變壓吸附空分制氧體系軸向流吸附床濃度分布研究劉應書,鄭新港,李永齡,張輝,劉文海(北京科技大學機械工程學院,北京100083)摘要:采用二維數(shù)值模型對變壓吸附空分制氧過程吸附床內的氧氣濃度分布進行了研究,同時對吸附相中氧氣和氮氣濃度也進行了探討。數(shù)值結果直觀地顯示了吸附床內的濃度場及其分布規(guī)律,并據此結果分析了吸附床內濃度演變過程。發(fā)現(xiàn),在首個循環(huán)結束時氧氣濃度可提純到70%左右;在循環(huán)穩(wěn)定后,傳質區(qū)長度約占整個吸附床的35%左右,在傳質區(qū)前沿存在陡峭的濃度波鋒面;邊流效應的存在使得濃度鋒面呈月牙形分布,并且會使壁面過早地穿透,影響吸附床性能關鍵詞:二維;吸附床;濃度;數(shù)值模擬中圖分類號:TQ028.15文獻標志碼:B文章編號: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數(shù)值模擬是研究吸附床內傳遞現(xiàn)象的重要方的 Ergun方程,而床層的壓力隨時間的變化則采法。通常的變壓吸附數(shù)值模型都是一維活塞流模用經驗或者半經驗公式描述,如線性變化公式3型,忽略了徑向的梯度而僅僅考慮軸向的擴散和流多段線國、二次曲線。一維模型的主要優(yōu)點是動。在描述多組分氣體的吸附平衡時常用Lang在提供足夠信息的同時能夠大量節(jié)省計算時間。目mu或者改進的 Langmuir方程;在描述從氣相到前,研究者已經采用此類模型研究了空氣分離過顆粒內的質量傳遞時,常用的模型是線性驅動力模程、voC脫除、氣體的干燥除濕田、甲烷型2或者改進的線性驅動力模型,最近有研究的回收等?？傮w而言,一維模型已經取得了很者采用含塵氣流模型來考慮顆粒內部的四種質量傳大的進步并對優(yōu)化吸附工藝提供了很大幫助。遞過程;在處理床層的壓力分布時采用半經驗然而,在研究吸附床的結構時,尤其是針對大收稿日期:2010-1212基金項目:國家高技術發(fā)展計劃(863)項目(2004A063201)第1期劉應書,等:變壓吸附空分制氧體系軸向流吸附床濃度分布研究直徑矮床層或者徑向流吸附器,往往需要研究同時1數(shù)學模型及計算方法發(fā)生在軸向和徑向的傳遞現(xiàn)象,此時就特別需要二維或者三維模型來研究吸附床內的吸附分離過程。1.1物理模型另外,由于通常情況下吸附床內壓力隨時間的變化是事先不知道的或者難以測量的,那么采用經驗公針對變壓吸附空分制取較高濃度氧氣的過程進式來計算是具有一定局限性的。行研究,建立如圖1所示物理模型。吸附床為圓柱形軸對稱結構,吸附床直徑80mm,長度500mm,基于以上研究中的不足,作者首次采用二維模其中進氣口(m)、出氣口(a)直徑為8m對模型進行了實驗驗證,發(fā)現(xiàn)二維模型能夠對兩個端部死空間高度分別為h1=16mm,h2=14吸附床內的傳遞過程給出良好的預測,二維模型的mm。吸附床內裝填各向同性的球形Lx沸石分子建立及求解為吸附床結構設計和參數(shù)優(yōu)化奠定了基篩,直徑為1.6mm。吸附分離過程由升壓、吸附、礎。本文的目的是在前文研究的基礎上深人研究吸降壓和反吹4個基本階段構成。由于氧、氬在沸石分子篩上表現(xiàn)出非常接近的吸附特性,為減少模型附床內的濃度分布,旨在揭示吸附床內部的濃度分布及其變化規(guī)律,為吸附床結構優(yōu)化提供理論指中方程的個數(shù),認為空氣由氧、氮兩種氣體構成(氧/氮=21/79)導nmWall ( adiabatic)DeadWEntranceZ GasAdsorbentTout圖1物理模型Fig 1 Physical mo1.2數(shù)學模型數(shù)吸附過程的傳質推動力模型連續(xù)性方程氧氮分子在沸石分子篩顆粒內的傳質屬于大孔擴散控制過程,傳質阻力主要來自氣體在顆粒大孔dep+V(e,e 1)+2s,=0內的擴散阻力,其傳質速率可由線性驅動力模型( LDF model)表示s,=(1-a)p100atk (qi-q)(1)式中,。為空隙率;M為氣體摩爾質量,g/mol;吸附等溫線方程為氣體的吸附速率,mol/(kg·s)at氣體吸附等溫線采用雙組分的 Langmuir方程組分方程計算,其方程如下:Pdep,:+V(Prey )-v(D,py.)+S,=0(2)動量方程K=k1exp(學),b=exp(學)由于氣體的吸附會引起動量的損失,所以動量式中,P為氣體分壓,kPa,b4、q為 Langmuir常方程中除了傳統(tǒng)的 Ergun動量源項外,添加了一個10低溫與特氣第29卷由于吸附引起的動量變化項。為溫度。(Pru)+V(pvv)=-Vp+HfV'u+F (7)徑向空隙率分布床層空隙率在近壁處和遠壁處的分布相差很F=-{+C2p1||+(8)·大,這一強烈的不均勻性直接影響著流體的分布。本文采用 Nield and Bejan等給出的公式計算徑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計算方法=V[kdVT+(F·v)]+s(9)采用上述模型與定解條件,方程的離散化采用有限體積法,利用計算流體力學軟件 Fluent對離散s=(1-p(-△Ba(10)方程進行求解,采用了耦合算法求解器。邊界條件式中,于為氣體的可壓縮過程的粘性耗散項。及求解方法詳細介紹參見文獻[13]。氣體狀態(tài)方程P(11)2吸附床氣相組分濃度分布特性分析式中,R為氣體常數(shù);M為氣體摩爾分子質量;T2.1第一個循環(huán)周期結束時氣相以及吸附相組分濃度分布(a)升壓;(b)吸附;(c)降壓;(d)反吹(a)pressurization;(b)adsorption;(c)depressurization; (d)purge圖2第一個循環(huán)周期內各階段結束時刻氧氣濃度分布云圖Fig 2 O, concentration contours at the end of first cycle圖2為第一個循環(huán)周期內各個階段結束時刻氣吸附床中氧氣濃度可達50%;同時由圖2可見相中氧氣濃度的分布云圖。由圖2可清楚看見氣相由升壓步驟到吸附步驟傳質區(qū)域是逐漸被壓縮變小氧濃度隨時間和空間的變化情況,圖中氧濃度變化的,而在降壓和反吹階段,傳質區(qū)域又被拓寬,這劇烈的區(qū)域為傳質區(qū),在傳質區(qū)前端為已吸附區(qū),為新的吸附循環(huán)做好了準備。另外,可以發(fā)現(xiàn)在升在傳質區(qū)后面為未吸附區(qū)。在升壓和吸附階段,隨壓階段結束時刻,產品端死空間內存有較低濃度的著傳質區(qū)的前移,較多的氮氣進人吸附劑顆粒氣體,這是由于存于此的氣體在初次升壓沒有得到(被吸附),氧氣得以富集,在首個升壓結束時刻提純所致。而降壓階段,存于產品端死空間內較高第1期劉應書,等:變壓吸附空分制氧體系軸向流吸附床濃度分布研究濃度氣體則對床層提前進行了沖洗。氣相中氧氣濃度的分布曲線。由圖可見,升壓階段結束時刻,沿吸附床長度方向氣相中氧氣濃度呈增升壓加趨勢。在吸附床前半部分,氧氣波變化較為平a0.6吸附緩。在吸附床后半部分,氧氣濃度波變化幅度較大,并且形成了一個氧氣濃度平臺。吸附階段結束04時刻,氣相中氧氣濃度沿吸附床方向逐漸增加。在03吸附床出口處,濃度波接近穿透吸附床。降壓階段結束時刻,氧氣濃度沿吸附床反方向呈減少趨勢。反吹階段結束時刻,沿吸附床方向氣相中氧氣濃度000102030405:呈增加趨勢。在吸附床出口端,出現(xiàn)一個氧氣濃度吸附床長度/m波平臺。這是由于反吹氣流對吸附床的逆向反吹形成的0.14升壓、(b圖3(b)為第一個循環(huán)周期內各階段結束時吸附相氧氣濃度的分布曲線。從圖中可以看出,各0.10階段結束時刻吸附相中氧氣濃度分布曲線的形狀和※008氣相氧氣濃度分布曲線形狀十分相似。其原因是,0.06004沸石分子篩吸附氧氮屬于平衡吸附過程,傳質速率較大,氣相和吸附相能夠在短時間內達到或接近平衡狀態(tài)。0.00.102030405圖3(c)為第一個循環(huán)周期內各階段結束時吸附床長度/m吸附相中氮氣濃度沿吸附床的分布曲線。由圖可見,升壓階段和吸附階段結束時刻,吸附相氮氣濃14吸附度沿吸附床呈降低趨勢,并且吸附階段結束時吸附相氧氣濃度高于升壓階段結束時吸附相的氧氣濃度,其差值就是吸附階段分子篩吸附氮氣的量。降長到了感罡壓階段結束時刻,吸附相氮氣濃度沿床長度方向基本不變,處在較低的水平。而由于反吹氣的作用反吹階段結束時刻吸附相氮氣濃度在吸附床出口存在明顯降低。0.00.10.20.304052.2循環(huán)達到穩(wěn)定狀態(tài)時氣相和吸附相中組分濃吸附床長度/m度分布(a)氣相氧氣濃度;(b)吸附相氧氣濃度;經過大約6個循環(huán),整個過程達到循環(huán)穩(wěn)定狀(c)吸附相氮氣濃度態(tài)。圖4顯示了在循環(huán)穩(wěn)定狀態(tài)各循環(huán)步驟結(a)O, concentration in the gas phase;(b)O, concentration in the adsorbed phase;束時刻吸附床中氧含量分布云圖,可以發(fā)現(xiàn)圖4與(c)N2 concentration in the adsorbed phase圖2的氧濃度分布規(guī)律大體是一致的,只是在傳質圖3第一個循環(huán)周期內各階段結束時組分濃度分布曲線區(qū)域氧濃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,在產品氣端死空間內也不存在較低濃度的氧氣圖3(a)為第一個循環(huán)周期內各階段結束時低溫與特氣第29卷(a)升壓;(b)吸附;(c)降壓;(d)反吹。(b)adsorption;(c)depressurization;(d圖4循環(huán)穩(wěn)定時刻吸附床內濃度分布云圖Fig 4 Concentration contours at the end of cycle steady state圖5(a)為各階段結束時氣相中氧氣濃度的以看出,升壓階段和吸附階段結束時吸附相中氧氣分布曲線。由圖可見,升壓階段結束時刻的氧含量濃度分布和氣相中氧氣濃度分布曲線十分相似。而沿吸附床呈上升趨勢,在吸附床中形成了較陡峭的降壓階段和反吹階段結束時吸附相氧氣濃度分布曲濃度波鋒面,近似于 Ruthven等描述的壓縮波(,線與氣相氧氣濃度分布曲線存在明顯差別。其原因在濃度波鋒面之前,吸附床已基本達到飽和狀態(tài);在于:升壓和吸附階段結束時吸附床處于高壓狀隨吸附床高度增加氧含量的變化很小,濃度波鋒面態(tài),而降壓和反吹結束時吸附床處于低壓狀態(tài)。并所處區(qū)域為傳質區(qū),氣相組分與分子篩的傳質過程且吸附相中的組分濃度與氣相中的摩爾濃度存在線主要發(fā)生在該區(qū)域,氣相組分含量變化最大;在濃性關系,而與氣相組分的體積分數(shù)沒有直接關系。度波鋒面的后面氧氮分離過程已基本完成,氣相組另外,由圖中可以發(fā)現(xiàn),在靠近產品端的吸附劑中分變化很小;降壓階段結束時刻的氧含量沿吸附床氧氣的吸附量有所下降,這是由于壓縮熱引起端部相反方向呈逐漸下降趨勢,沒有形成濃度變化幅度空間溫度升高,導致靠近此區(qū)域的吸附劑溫度上較大的濃度波鋒面;反吹階段結束時刻氧含量沿吸升,從而吸附量減少121l。附床呈逐漸增加趨勢,由于反吹氣對吸附床的清洗圖5(c)為循環(huán)達到穩(wěn)定狀態(tài)后,各階段結作用,在吸附床進口端氣相中的氧的摩爾分數(shù)為束時吸附相中氮氣濃度的分布曲線,由圖可見,升25%左右;而在吸附床出口端氧含量已經達到反壓和吸附階段結束時,氮氣的吸附量沿吸附床長度吹氣的氧含量反吹階段結束時刻氧含量的分布,為方向呈減小趨勢。并且存在氮氣吸附量劇烈變化下一循環(huán)步驟升壓階段形成陡峭的氧含量奠定了基區(qū),吸附相中形成了陡峭的氮氣濃度波鋒面。在濃礎。另外,從中還可以看出,在升壓階段結束時刻度波鋒面前面(靠近吸附床進口側)床層已經達氧氣濃度波鋒面前沿已經進入到吸附床90%的位到或接近飽和狀態(tài),在鋒面后面(靠近吸附床出置,而其后沿在吸附床55%的位置(見4中虛線口側)床層吸附相氮氣濃度很小。吸附階段結束標注),傳質區(qū)約占整個吸附床的35%左右。因此時與升壓階段結束時氮氣濃度曲線之間的區(qū)域就是對于循環(huán)周期較短的氧氮分離過程而言,升壓階段吸附階段床層吸附氮氣的量。降壓和反吹階段結束在整個循環(huán)過程中起著非常重要的作用。并且傳質時,由于吸附床內為低壓條件,床層吸附相氮氣濃阻力對變壓吸附過程的影響非常大,不能近似認為度較小,分子篩床層解吸再生。并且由于反吹氣的是瞬時平衡過程。作用,反吹階段結束時比降壓階段結束時床層吸附圖5(b)給出了循環(huán)達到穩(wěn)定狀態(tài)后,各階相的氮氣濃度更小。由此可以得出,對于平衡吸附段結束時刻吸附相中氧氣濃度分布曲線。從圖中可分離過程,采用輕組分對吸附床進行反吹清洗不但第1期劉應書,等:變壓吸附空分制氧體系軸向流吸附床濃度分布研究可以提高氣相中輕組分的濃度,同時還可以明顯降不同于床層中心部分的濃度分布,也即存在邊流效低強吸附組分在吸附相中的濃度。因此,利用反吹應或壁面效應。這種邊流效應對軸向氧濃度的影響氣對床層清洗可以大大提高產品氣中的氧氣濃度。示于圖6。由圖可見,在升壓初期也即是反吹結束時刻,進氣端附近壁面處(L3)氧氣濃度略高于中心部分(Ll和L)氧氣濃度,這是由于反吹氣一升壓20.8吸附體反向流動引起的壁面濃度分布不均。另外還可看806°降壓見,隨著升壓步驟的進行直到吸附終了整個過程反吹可以看到壁面附近氧氣濃度較床層主體部分推進得更深,更加接近產品端,也就是說壁面處會更早地穿透。即在設計吸附床時要考慮邊流效應的作用,以壁面附近的穿透為準,或者采取一些相應的措施000102030.40.5來消除或降低邊流效應,否則壁面過早地穿透會影吸附床長度/m響吸附床的性能,給生產過程帶來危害045040(b)吸附降」L20.8吸附終了02506吸附初期升壓初期妍0100.4000c000.1020.30.0.00.10.203040.5吸附床長度/m吸附床長度m1.2圖6不同軸向曲線上氧氣濃度分布1.0Fig 6 Profiles of O2 concentration along081different axial lines04升壓3結論-吸附感要0.0密反吹(1)采用二維數(shù)學模型分析了吸附床內的濃000.1020.3040.5度分布規(guī)律,模型中考慮了吸附引起的變質量流吸附床長度/m動,另外對徑向空隙率分布也予以考慮,數(shù)值結果(a)氣相氧氣濃度;(b)吸附相氧氣濃度;()吸附相氮氣濃。直觀地顯示了吸附床內的濃度場及其分布規(guī)律,并(a)pressurization;(b)adsorption;分析了吸附床內濃度演變過程;(c)depressurization;(d)purge.(2)模擬結果顯示,在首個循環(huán)結束時氧氣圖5循環(huán)達到穩(wěn)定狀態(tài)后各階段結束時組分濃度分布曲線濃度可提純到70%左右;在循環(huán)穩(wěn)定后,傳質區(qū)Fig5 Concentration profiles at the end of cycle steady state長度約占整個吸附床的35%左右,在傳質區(qū)前沿2.3濃度偏流存在陡峭的濃度波鋒面;邊流效應存在使得濃度鋒在圖2和圖4中可以明顯看到壁面附近的濃度面呈月牙形分布,并且會使壁面過早地穿透,影響14低溫與特氣第29卷吸附床性能。Ind Eng Chem Res,2010,49:11587-11593[11] GHOLAMI M, TALAIE M R, ROODPEYMA S. 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