Vol 25 No 4第25卷第4期南京工業(yè)大學學報2003年7月JOURNAL OF NANJING UNIVERSITY OF TECHNOLOGY真空變壓吸附空分制氧等溫與非等溫過程模擬比較王嘯,馬正飛,姚虎卿(南京工業(yè)大學化學化工學院,江蘇南京21000摘要:應用動態(tài)柱穿透法測定的空氣中氣-氧吸附平衡數(shù)據(jù)模擬兩床真空變伍吸附(VSA)空分制氧中等溢與非等區(qū)過程;在SA過程糗擬中探討了吸附壓力、遜料流量和沖洗比等過程操作條件以及嗄附過程中濕度的變化對產品氣氧的純度、收率和產率的影響,為ⅤSA空分制氧過程提供一定的設計依據(jù)。關鍵詞:真空變壓吸附;空氣分離;制氧;等濫與非等濫過程:樸擬中圖分類號:T0028文獻標識碼:A文章編號:1671-7643(2003104-009-06變壓吸附空分制氧包括沖洗解吸的變壓吸附過程的優(yōu)化提供一定的指導(FSA)和抽真空解吸的真空變壓吸附(VSA)兩種工藝。與閃A工藝相比,ⅤsA工藝具有生產規(guī)模大、1循環(huán)過程與數(shù)學模型能耗較低、過程較復雜等特點~引。同時在200vd(x(O2)=90%~94%)規(guī)模以內,VSA工藝制氧與1.1WSA循環(huán)過程深冷法相比,其有投入較低操作簡單靈活和裝置易真空變壓吸附空分制氧的吸附壓力一般為110啟動易停等特點21。180kPa,而真空脫附壓力一般為20~50kPa,其吸附劑性能的改進和工藝過程的優(yōu)化一直是變所用的吸附劑有CaA、Nax、CaX和Lⅸx等34。人們壓吸附技術研究的重點。H前,變壓吸附工藝條件對ⅤSA工藝的研究發(fā)現(xiàn)一次均壓優(yōu)于兩次均壓,低優(yōu)化的研究主要是通過實驗和過程模擬相結合來實壓沖洗再生更有效以及兩床比三床轉換更快和有更現(xiàn)。模擬空分制氧循環(huán)過程的數(shù)學模型中對床層溫高的吸附劑使用效率67度變化的考慮一般采用3種方式:等溫狀態(tài)、絕熱狀本文根據(jù)文獻采用一次均壓和抽空后沖洗再生態(tài)和非等溫狀態(tài)3然而還沒有比較這3種方式的兩床ⅤSA空分制氧過程并釆用六步循環(huán),其中吸的文獻。本文通過對等溫與非等溫狀態(tài)的ⅤSA空附壓力為10kPa和110kPa,脫附終壓為20kPa;其分制氧過程的模擬比較來探討實際過程中溫度的變步驟時間配置如表1所示?；瘜Ξa品氣氧的純度、收率和產率的影響;為WSA表1兩床VA空分制氯過程循環(huán)步驟及時間Table I Cycle sequence and atep lime of VSA for O pro床層1FP(5 s)AD(10~15g)DE(5s)DP(10~158)PG(5 s)ppE(5 8)味層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一沖洗均升F原料氣充壓VSA動態(tài)模擬采用的假設為1.8動為軸向分散活塞流模型;(5)氣體組分的吸附平衡(1)氣體為理想氣體;(2)忽略床層軸向壓力降;模型為負載比關聯(lián)(LRC)吸附平衡模型;(6)傳質速(3)吸附和沖洗步驟中壓力為常數(shù),充壓、均降、均升率方程為IDF模型;(7)氣相和固相的熱傳遞瞬間和逆放步驟的壓力隨時間呈指數(shù)型變化;(4)流體流平衡;(8)空氣中只考慮氮和氧的存在。收稿日期:20030109作者簡介:上哺(1967-)男江西上尚人,助工,博上生,主要研究方向為傳質與分離南京工第25卷O2收率=(吸附步驟出O2量-沖洗步驟耗O2量)/(吸附步驟進O2量+充壓步驟進O2量)沖洗比(P/F)=沖洗步驟耗O2量/吸附步驟a7Peh l,soV lisn(T I2出O2量O2產率=產品氣的O2量(mol)/(吸附劑的質量(kg)×時間(h))(2)沖洗和均升階段1.2數(shù)學模型58本模型考慮了吸附等溫線非線性和吸附引起的流速變化傳質阻力傳質及傳熱的軸向擴散,并且物性參數(shù)是溫度和壓力的函數(shù),因而模型中考慮了Pe Iis,VI實際過程中非等溫性。在等溫狀態(tài)時,數(shù)學模型忽略了床層中溫度的變化即模型中不考慮氣固能量。-0衡算方程(3)和末壁能量衡算方程(4)對床層進行T=Phl2Vl21(r,-70/7)物料衡算及能量衡算得出以下模型方程。az紅分質量平衡方程(3)均降和逆放階段a2az總質量平衡方程:97Dac其中Pe=u0L/D2Peh=uo4Cx/K.(9)(2)氣體恒壓熱容是溫度的函數(shù),混合氣體總熱容氣固相能量平衡方程由各組分熱容的加合。Ca(uT)CgyCig(10)at Rb(T-T)=0(3)空隙流速的邊界條件1):床壁能量衡算方程:1)均降和均升步驟al:=o=02)充壓和逆放步驟u4L=0;Pw ws a =2xRi h: (T-T)-2xRh(T -Tam)3)吸附步驟a(4)4)沖洗步驟u12=0= lL其中Aw=π(R-R)VSA循環(huán)的初始狀態(tài)為潔凈床層,其中每步的吸附平衡(LRC)方程:q=quip i(5)結束狀態(tài)是下一步驟的初始條件。+∑b通過固定床動態(tài)穿透法0實驗測定空氣中N2、O2在一定溫度和不同壓力下5A沸石中的動態(tài)平衡其中吸附等溫線中參數(shù)與溫度有關,可以表述為:吸附量,并得出在20℃和35℃時的吸附等溫線,見qmi=kI-k2T, b,= k3exp ( k4/T), n;= k5-k6/T圖I和圖2;應用吸附平衡的RC模型對吸附等溫傳質速率(UDP)方程:當=(q-)(6)線進行擬合計算出模型中的參數(shù)和吸附熱(表2)理想氣體方程:c=P/F或c=P/RT(7)吸附劑和床層的特性參數(shù)和動力學參數(shù)以及N2、O2變壓步驟中壓力的變化關系式:的物理參數(shù)分別見表3和表4P= Pend+(Pturt-Pend)e ar(8)將上述方程(1)~(6)進行無因次化,然后用正本文模型采用標準的 Danckwerts邊界條件9:交配置法將其中的偏微分方程(PDEs)轉化為常微(1)充壓和吸附階段分方程(ODFs);再利用Besi微分代數(shù)求解程序求解正交配置構造后得到的微分代數(shù)方程組;用Forn語言編寫SA過程模擬程序。計算中選擇第4期王嘯等:真空變壓吸附空分制氧等溫與非等溫過程模擬比較表3吸附劑和吸附床層的特性出1Table 3 Charateristics o adsorbents and adsorption rxl→293.|5k308.15K5A吸附劑形狀吸附劑平均半徑d/cm0.09吸附柱尺寸/cm4,8×0.2-50顆粒密度Pp/(g·cm-3)填充密度m/(吸附劑熱容C,/(Jg·k-1)床層空隙率E總的空隙率E0.RN,)kPa床壁密度p/(gcm)床壁熱容C/(Jg1·K1)圖」空氣中N2在5A沸石中的吸附等溫線變壓時間常數(shù)aFig. t isotherms in Nz in air al 5A zeolite內傳熱系數(shù)h2/(cm2K-t.s)3.85×103外傳熱系數(shù)h0/(Jcm2Ks-1)1.42×10-3IDF因子k(O2)/s0.51IDF因子k(N2)/s-10.146.00.040環(huán)境溫度Tm/K293.15293.15表4空氣中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圖2空氣中O2在5A沸石中的吸附等溫線Fig. 2 Isotherms of O in air at 5A zeolite熱容參數(shù)b/(J·g-lK2)4.141×10-32.076×10-313個內配置點,SA循環(huán)中用空氣充壓,產品氣氧組成gkK)-134×07-01092x10221.8的濃度和床層的溫度達到穩(wěn)定狀態(tài)需12個循環(huán)。氣體密度(g·cm2)1.429×1031.251×10-3表2空氣中N和O2在5A沸石上的吸附平衡參數(shù)Table 2 Isotherm parameters LDF inefficients N2/O a 5A geolite2結果與討論吸附平衡參數(shù)kIx 10/(molg")5,494本文采用國產的5A分子篩,吸附壓力一般選k2×105/( mol'gi·K-1)1.1931.267擇150kPa和脫附壓力為20kPa和循環(huán)時間(5sk3 x 10/kPa0.508915s-5-15s-5g-5s)對等溫和非等溫下wSA空分制釵過程進行模擬。603.4753.I2.1吸附壓力影響的比較吸附壓力分別選擇150kPa、10kPa,脫附壓為k6/K572.720kPa,沖洗比P/F為0.10時進行模擬。循環(huán)過程平均吸附夢-△BOm)2001B1中產品氣O純度分別見圖3和圖4從圖3和圖4可知:產品氣中O2濃度在等溫狀態(tài)比非等溫時高,而且隨進口流量的增加,兩種狀態(tài)南京工業(yè)大學學報第25卷7A Amur→等溫VSA非等溫vSA50mn,111t99圖5150kPa,沖洗比0.10時,進口流量對等溫和非等溫圖3在150kPa、0.10P∥F比時,不同進口流量下下產品氣中O2的純度、收率和產率的影響循環(huán)過程中O2純度的變化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)下更加明顯,且隨著進流量的增加等溫狀態(tài)的產6.0 Lmin率比非等溫狀態(tài)時更大。等溫ⅤSA2.3沖洗比影響的比較在進口流量為5.0L/min時,選擇沖洗比P/F在000~0.25的范圍內,考察沖洗比對兩種狀態(tài)下SA空分制O2效果的影響,見圖6。隨著沖洗比的增加,產品氣中Q2純度逐漸增大,而O2收率和產3.5 l/min率卻逐漸降低,而且等溫和非等溫兩狀態(tài)中的趨勢相同圖4在10kPa、0.10P/F比時,不同進口流量下循環(huán)過程中O2純度的變化→等溫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濃度差別越大;同時,吸附壓力越大,在同一流量下宀品氣純度越高,且兩者的差別越小。2.2進口流量影響的比較選擇進冂流量在3.5~9.0L/min范圍內,吸附壓力為150kP和沖洗比P/F為0.10對等溫與非等溫vsA過程進行模擬,結果如圖5所示圖6150kPa,50Lmin時,沖洗比P/F對產品從圖5可知隨著進口流量的增加,兩種狀態(tài)下中O2的純度、收率和產率的彩響的產品氣O2純度隨之降低,而O收率和產率開始Fig 6 EHect of P/F rte on O2(a)purity.(b)revery und增加后隨之有降低的趨勢;這種趙勢在非等溫狀態(tài)(e) productivity at 150 Pa.5.0 1/min第4期王嘯等:真空變壓吸附空分制氧等溫與非等溫過程模擬比較53ⅤsSA循環(huán)過程在等溫與非等溫條件下床層中6個步驟O2濃度的變化趨勢如圖7所示。在等溫下3結論(圖(7b)的各步驟在床層出凵端的O2濃度都較非等溫(圖(7a)時高說明在產品氣O2純度一定時等在293.5K溫度下,本文通過用實驗測定的數(shù)溫狀態(tài)的空氣處理量要比非等溫時大,從而增加O2據(jù)對等溫與非等溫狀態(tài)下兩床真空變壓吸附(sA)產率。圖8為非等溫VSA空分制O2床層中0.5和空分制Q2過程進行模擬,在木實驗范圍內得到如下0.86處溫度的變化,在床層Z/L=0.50處溫度變化結論約為7℃,而Z/=0.86處為4.5℃左右,說明在(1)在一定操作條件下等溫狀態(tài)的O2純度、收非等溫狀態(tài)的床層中溫度變化較明顯。率和產率都比非等溫時的高;而且吸附壓力越小,兩者的差別越大。(2)隨著進冂流量的增加,產品氣O2純度隨之降低,O2收率和產率開始增加后隨之有降低的趨勢;而在非等溫狀念下隨流量的增加影響更大。(3)隨著沖洗比的增加,產品氣中O2純度逐漸增大,而O2收率和產率卻逐漸降低,且等溫和非溫兩狀態(tài)中的變化趨勢相同。(4)VSA空分制O2循環(huán)過程屮溫度變化對其產品氣O2純度、收率和產率有明顯的影響,從而影響其工藝操作條件。通過VsA空分制氧中等溫與非200ID等溫過程的模擬比較充分說明了在變壓吸附過程制O2中應考慮床層中熱效應的影響符號說明圖7在150kPa5.0Lmin和0.10P/F比條件下各步床壁截面積(cm2)驟在床層軸向O2濃度變化Fig. 7 O amerntralion profiles of diferent cycle step along theadsorption bed at 150 kPa, 5.0 1/min 0.10 P/F ratioAbcD等溫線模型參數(shù)(kPa)氣相熱容(Jml-·K1)軸向擴散系數(shù)(cmk…·k6等溫線模型參數(shù)KL軸向導熱系數(shù)(Jcm-2K-s-1)ZF0.86LnP床層長度(cm)等溫線模型參數(shù)床層總壓(kha)P(O2)產品氣氧的產率( mol kg.h)Z/F=0.5組分平衡吸附量( mol kg紅分固相平均濃度(mlkg1)組分飽和吸附量(mdkg-")Rhi床層內徑(cm)R(O2)產品氣氧的收率(%)500600床層外徑(cm)R氣體常數(shù)(Jmol-1K-1)圖8在150kPa、5.01/mn和0.10P/F比下,床層中不x(O2)產品氣氧的摩爾分數(shù)(%)同位置溫度的循環(huán)波動。氣體流速(cms-1)Fig.8 Temperature swing in the adsorption bed of different location at床層軸向坐標150 kPa. 5.0L'min and 0. Io P/Fratio傳質 Peclet數(shù)傳熱 Peclet數(shù)南京T業(yè)大學學報第25卷負載比關系式( the loading ratio corelation)線性驅動力( the linear driving force)40(16): 3647-365g adsorption[J. In! Eng(hem Res, 2001modical O pressure"g oxygen- rich gas[ PiLK:GB154895B,1983參考文獻[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周漢濤.變壓吸附過程模擬D」,南京:南京工業(yè)大學[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,多功能吸附實驗裝囊及其應用(D].南京:南京工業(yè)[3]Kumar R. Vacuum swing adsorption prooess for axygen production大學,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