變壓吸附空分制氧體系軸向流吸附床濃度分布研究

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(shū),鄭新港,李永齡,張輝,劉文海(北京科技大學(xué)機械工程學(xué)院,北京100083)摘要:采用二維數值模型對變壓吸附空分制氧過(guò)程吸附床內的氧氣濃度分布進(jìn)行了研究,同時(shí)對吸附相中氧氣和氮氣濃度也進(jìn)行了探討。數值結果直觀(guān)地顯示了吸附床內的濃度場(chǎng)及其分布規律,并據此結果分析了吸附床內濃度演變過(guò)程。發(fā)現,在首個(gè)循環(huán)結束時(shí)氧氣濃度可提純到70%左右;在循環(huán)穩定后,傳質(zhì)區長(cháng)度約占整個(gè)吸附床的35%左右,在傳質(zhì)區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(huì )使壁面過(guò)早地穿透,影響吸附床性能關(guān)鍵詞:二維;吸附床;濃度;數值模擬中圖分類(lèi)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數值模擬是研究吸附床內傳遞現象的重要方的 Ergun方程,而床層的壓力隨時(shí)間的變化則采法。通常的變壓吸附數值模型都是一維活塞流模用經(jīng)驗或者半經(jīng)驗公式描述,如線(xiàn)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(xiàn)國、二次曲線(xiàn)。一維模型的主要優(yōu)點(diǎn)是動(dòng)。在描述多組分氣體的吸附平衡時(shí)常用Lang在提供足夠信息的同時(shí)能夠大量節省計算時(shí)間。目mu或者改進(jìn)的 Langmuir方程;在描述從氣相到前,研究者已經(jīng)采用此類(lèi)模型研究了空氣分離過(guò)顆粒內的質(zhì)量傳遞時(shí),常用的模型是線(xiàn)性驅動(dòng)力模程、voC脫除、氣體的干燥除濕田、甲烷型2或者改進(jìn)的線(xiàn)性驅動(dòng)力模型,最近有研究的回收等?？傮w而言,一維模型已經(jīng)取得了很者采用含塵氣流模型來(lái)考慮顆粒內部的四種質(zhì)量傳大的進(jìn)步并對優(yōu)化吸附工藝提供了很大幫助。遞過(guò)程;在處理床層的壓力分布時(shí)采用半經(jīng)驗然而,在研究吸附床的結構時(shí),尤其是針對大收稿日期:2010-1212基金項目:國家高技術(shù)發(fā)展計劃(863)項目(2004A063201)第1期劉應書(shū),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(shí)1數學(xué)模型及計算方法發(fā)生在軸向和徑向的傳遞現象,此時(shí)就特別需要二維或者三維模型來(lái)研究吸附床內的吸附分離過(guò)程。1.1物理模型另外,由于通常情況下吸附床內壓力隨時(shí)間的變化是事先不知道的或者難以測量的,那么采用經(jīng)驗公針對變壓吸附空分制取較高濃度氧氣的過(guò)程進(jìn)式來(lái)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(chēng)結構,吸附床直徑80mm,長(cháng)度500mm,基于以上研究中的不足,作者首次采用二維模其中進(jìn)氣口(m)、出氣口(a)直徑為8m對模型進(jìn)行了實(shí)驗驗證,發(fā)現二維模型能夠對兩個(gè)端部死空間高度分別為h1=16mm,h2=14吸附床內的傳遞過(guò)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優(yōu)化奠定了基篩,直徑為1.6mm。吸附分離過(guò)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(gè)基本階段構成。由于氧、氬在沸石分子篩上表現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律,為吸附床結構優(yōu)化提供理論指中方程的個(gè)數,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數學(xué)模型數吸附過(guò)程的傳質(zhì)推動(dòng)力模型連續性方程氧氮分子在沸石分子篩顆粒內的傳質(zhì)屬于大孔擴散控制過(guò)程,傳質(zhì)阻力主要來(lái)自氣體在顆粒大孔dep+V(e,e 1)+2s,=0內的擴散阻力,其傳質(zhì)速率可由線(xiàn)性驅動(dòng)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(zhì)量,g/mol;吸附等溫線(xiàn)方程為氣體的吸附速率,mol/(kg·s)at氣體吸附等溫線(xiàn)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(dòng)量方程K=k1exp(學(xué)),b=exp(學(xué))由于氣體的吸附會(huì )引起動(dòng)量的損失,所以動(dòng)量式中,P為氣體分壓,kPa,b4、q為 Langmuir常方程中除了傳統的 Ergun動(dòng)量源項外,添加了一個(gè)10低溫與特氣第29卷由于吸附引起的動(dòng)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(zhù)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(xué)軟件 Fluent對離散s=(1-p(-△Ba(10)方程進(jìn)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(guò)程的粘性耗散項。及求解方法詳細介紹參見(jiàn)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;M為氣體摩爾分子質(zhì)量;T2.1第一個(gè)循環(huán)周期結束時(shí)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(gè)循環(huán)周期內各階段結束時(shí)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(gè)循環(huán)周期內各個(gè)階段結束時(shí)刻氣吸附床中氧氣濃度可達50%;同時(shí)由圖2可見(jiàn)相中氧氣濃度的分布云圖。由圖2可清楚看見(jiàn)氣相由升壓步驟到吸附步驟傳質(zhì)區域是逐漸被壓縮變小氧濃度隨時(shí)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(zhì)區域又被拓寬,這劇烈的區域為傳質(zhì)區,在傳質(zhì)區前端為已吸附區,為新的吸附循環(huán)做好了準備。另外,可以發(fā)現在升在傳質(zhì)區后面為未吸附區。在升壓和吸附階段,隨壓階段結束時(shí)刻,產(chǎn)品端死空間內存有較低濃度的著(zhù)傳質(zhì)區的前移,較多的氮氣進(jìn)人吸附劑顆粒氣體,這是由于存于此的氣體在初次升壓沒(méi)有得到(被吸附),氧氣得以富集,在首個(gè)升壓結束時(shí)刻提純所致。而降壓階段,存于產(chǎn)品端死空間內較高第1期劉應書(shū),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(jìn)行了沖洗。氣相中氧氣濃度的分布曲線(xiàn)。由圖可見(jiàn),升壓階段結束時(shí)刻,沿吸附床長(cháng)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(gè)氧氣濃度平臺。吸附階段結束04時(shí)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(shí)刻,氧氣濃度沿吸附床反方向呈減少趨勢。反吹階段結束時(shí)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,出現一個(gè)氧氣濃度吸附床長(cháng)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(gè)循環(huán)周期內各階段結束時(shí)吸附相氧氣濃度的分布曲線(xiàn)。從圖中可以看出,各0.10階段結束時(shí)刻吸附相中氧氣濃度分布曲線(xiàn)的形狀和※008氣相氧氣濃度分布曲線(xiàn)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(guò)程,傳質(zhì)速率較大,氣相和吸附相能夠在短時(shí)間內達到或接近平衡狀態(tài)。0.00.102030405圖3(c)為第一個(gè)循環(huán)周期內各階段結束時(shí)吸附床長(cháng)度/m吸附相中氮氣濃度沿吸附床的分布曲線(xiàn)。由圖可見(jiàn),升壓階段和吸附階段結束時(shí)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(shí)吸附相氧氣濃度高于升壓階段結束時(shí)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(cháng)到了感罡壓階段結束時(shí)刻,吸附相氮氣濃度沿床長(cháng)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(shí)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)達到穩定狀態(tài)時(shí)氣相和吸附相中組分濃吸附床長(cháng)度/m度分布(a)氣相氧氣濃度;(b)吸附相氧氣濃度;經(jīng)過(guò)大約6個(gè)循環(huán),整個(gè)過(guò)程達到循環(huán)穩定狀(c)吸附相氮氣濃度態(tài)。圖4顯示了在循環(huán)穩定狀態(tài)各循環(huán)步驟結(a)O, concentration in the gas phase;(b)O, concentration in the adsorbed phase;束時(shí)刻吸附床中氧含量分布云圖,可以發(fā)現圖4與(c)N2 concentration in the adsorbed phase圖2的氧濃度分布規律大體是一致的,只是在傳質(zhì)圖3第一個(gè)循環(huán)周期內各階段結束時(shí)組分濃度分布曲線(xiàn)區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(chǎn)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(gè)循環(huán)周期內各階段結束時(shí)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)穩定時(shí)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(shí)氣相中氧氣濃度的以看出,升壓階段和吸附階段結束時(shí)吸附相中氧氣分布曲線(xiàn)。由圖可見(jiàn),升壓階段結束時(shí)刻的氧含量濃度分布和氣相中氧氣濃度分布曲線(xiàn)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(shí)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(xiàn)與氣相氧氣濃度分布曲線(xiàn)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(shí)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(shí)吸附床處于低壓狀態(tài)。并所處區域為傳質(zhì)區,氣相組分與分子篩的傳質(zhì)過(guò)程且吸附相中的組分濃度與氣相中的摩爾濃度存在線(xiàn)主要發(fā)生在該區域,氣相組分含量變化最大;在濃性關(guān)系,而與氣相組分的體積分數沒(méi)有直接關(guān)系。度波鋒面的后面氧氮分離過(guò)程已基本完成,氣相組另外,由圖中可以發(fā)現,在靠近產(chǎn)品端的吸附劑中分變化很小;降壓階段結束時(shí)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(méi)有形成濃度變化幅度空間溫度升高,導致靠近此區域的吸附劑溫度上較大的濃度波鋒面;反吹階段結束時(shí)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)達到穩定狀態(tài)后,各階段結作用,在吸附床進(jìn)口端氣相中的氧的摩爾分數為束時(shí)吸附相中氮氣濃度的分布曲線(xiàn),由圖可見(jiàn),升25%左右;而在吸附床出口端氧含量已經(jīng)達到反壓和吸附階段結束時(shí),氮氣的吸附量沿吸附床長(cháng)度吹氣的氧含量反吹階段結束時(shí)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,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(shí)刻度波鋒面前面(靠近吸附床進(jìn)口側)床層已經(jīng)達氧氣濃度波鋒面前沿已經(jīng)進(jìn)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(jiàn)4中虛線(xiàn)口側)床層吸附相氮氣濃度很小。吸附階段結束標注),傳質(zhì)區約占整個(gè)吸附床的35%左右。因此時(shí)與升壓階段結束時(shí)氮氣濃度曲線(xiàn)之間的區域就是對于循環(huán)周期較短的氧氮分離過(guò)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(gè)循環(huán)過(guò)程中起著(zhù)非常重要的作用。并且傳質(zhì)時(shí),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(guò)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(shí)平衡過(guò)程。作用,反吹階段結束時(shí)比降壓階段結束時(shí)床層吸附圖5(b)給出了循環(huán)達到穩定狀態(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(shí)刻吸附相中氧氣濃度分布曲線(xiàn)。從圖中可分離過(guò)程,采用輕組分對吸附床進(jìn)行反吹清洗不但第1期劉應書(shū),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(shí)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(chǎn)品氣中的氧氣濃度。示于圖6。由圖可見(jiàn),在升壓初期也即是反吹結束時(shí)刻,進(jìn)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(dòng)引起的壁面濃度分布不均。另外還可看806°降壓見(jiàn),隨著(zhù)升壓步驟的進(jìn)行直到吸附終了整個(gè)過(guò)程反吹可以看到壁面附近氧氣濃度較床層主體部分推進(jìn)得更深,更加接近產(chǎn)品端,也就是說(shuō)壁面處會(huì )更早地穿透。即在設計吸附床時(shí)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(lái)消除或降低邊流效應,否則壁面過(guò)早地穿透會(huì )影吸附床長(cháng)度/m響吸附床的性能,給生產(chǎn)過(guò)程帶來(lái)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(cháng)度/m吸附床長(cháng)度m1.2圖6不同軸向曲線(xiàn)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)采用二維數學(xué)模型分析了吸附床內的濃000.1020.3040.5度分布規律,模型中考慮了吸附引起的變質(zhì)量流吸附床長(cháng)度/m動(dòng),另外對徑向空隙率分布也予以考慮,數值結果(a)氣相氧氣濃度;(b)吸附相氧氣濃度;()吸附相氮氣濃。直觀(guān)地顯示了吸附床內的濃度場(chǎng)及其分布規律,并(a)pressurization;(b)adsorption;分析了吸附床內濃度演變過(guò)程;(c)depressurization;(d)purge.(2)模擬結果顯示,在首個(gè)循環(huán)結束時(shí)氧氣圖5循環(huán)達到穩定狀態(tài)后各階段結束時(shí)組分濃度分布曲線(xiàn)濃度可提純到70%左右;在循環(huán)穩定后,傳質(zhì)區Fig5 Concentration profiles at the end of cycle steady state長(cháng)度約占整個(gè)吸附床的35%左右,在傳質(zhì)區前沿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(huì )使壁面過(guò)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 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