真空變壓吸附空分制氧等溫與非等溫過(guò)程模擬比較

Vol 25 No 4第25卷第4期南京工業(yè)大學(xué)學(xué)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(guò)程模擬比較王嘯,馬正飛,姚虎卿(南京工業(yè)大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院,江蘇南京21000摘要:應用動(dòng)態(tài)柱穿透法測定的空氣中氣-氧吸附平衡數據模擬兩床真空變伍吸附(VSA)空分制氧中等溢與非等區過(guò)程;在SA過(guò)程糗擬中探討了吸附壓力、遜料流量和沖洗比等過(guò)程操作條件以及嗄附過(guò)程中濕度的變化對產(chǎn)品氣氧的純度、收率和產(chǎn)率的影響,為ⅤSA空分制氧過(guò)程提供一定的設計依據。關(guān)鍵詞:真空變壓吸附;空氣分離;制氧;等濫與非等濫過(guò)程:樸擬中圖分類(lèi)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(guò)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(chǎn)規模大、1循環(huán)過(guò)程與數學(xué)模型能耗較低、過(guò)程較復雜等特點(diǎn)~引。同時(shí)在200vd(x(O2)=90%~94%)規模以?xún)?VSA工藝制氧與1.1WSA循環(huán)過(guò)程深冷法相比,其有投入較低操作簡(jiǎn)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(dòng)易停等特點(diǎn)21。180kPa,而真空脫附壓力一般為20~50kPa,其吸附劑性能的改進(jìn)和工藝過(guò)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(shù)研究的重點(diǎn)。H前,變壓吸附工藝條件對ⅤSA工藝的研究發(fā)現一次均壓優(yōu)于兩次均壓,低優(yōu)化的研究主要是通過(guò)實(shí)驗和過(guò)程模擬相結合來(lái)實(shí)壓沖洗再生更有效以及兩床比三床轉換更快和有更現。模擬空分制氧循環(huán)過(guò)程的數學(xué)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(méi)有比較這3種方式的兩床ⅤSA空分制氧過(guò)程并釆用六步循環(huán),其中吸的文獻。本文通過(guò)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(guò)程的模擬比較來(lái)探討實(shí)際過(guò)程中溫度的變步驟時(shí)間配置如表1所示?；瘜Ξa(chǎn)品氣氧的純度、收率和產(chǎn)率的影響;為WSA表1兩床VA空分制氯過(guò)程循環(huán)步驟及時(shí)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(dòng)態(tài)模擬采用的假設為1.8動(dòng)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(guān)聯(lián)(LRC)吸附平衡模型;(6)傳質(zhì)速(3)吸附和沖洗步驟中壓力為常數,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(shí)間呈指數型變化;(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(jiǎn)介:上哺(1967-)男江西上尚人,助工,博上生,主要研究方向為傳質(zhì)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(jìn)O2量+充壓步驟進(jìn)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(chǎn)率=產(chǎn)品氣的O2量(mol)/(吸附劑的質(zhì)量(kg)×時(shí)間(h))(2)沖洗和均升階段1.2數學(xué)模型58本模型考慮了吸附等溫線(xiàn)非線(xiàn)性和吸附引起的流速變化傳質(zhì)阻力傳質(zhì)及傳熱的軸向擴散,并且物性參數是溫度和壓力的函數,因而模型中考慮了Pe Iis,VI實(shí)際過(guò)程中非等溫性。在等溫狀態(tài)時(shí),數學(xué)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(jìn)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(zhì)量平衡方程(3)均降和逆放階段a2az總質(zhì)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,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(guò)固定床動(dòng)態(tài)穿透法0實(shí)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(dòng)態(tài)平衡其中吸附等溫線(xiàn)中參數與溫度有關(guān),可以表述為:吸附量,并得出在20℃和35℃時(shí)的吸附等溫線(xiàn),見(jiàn)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(zhì)速率(UDP)方程:當=(q-)(6)線(xiàn)進(jìn)行擬合計算出模型中的參數和吸附熱(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和動(dòng)力學(xué)參數以及N2、O2變壓步驟中壓力的變化關(guān)系式:的物理參數分別見(jiàn)表3和表4P= Pend+(Pturt-Pend)e ar(8)將上述方程(1)~(6)進(jìn)行無(wú)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微分代數求解程序求解正交配置構造后得到的微分代數方程組;用Forn語(yǔ)言編寫(xiě)SA過(guò)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(guò)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(xiàn)變壓時(shí)間常數aFig. t isotherms in Nz in air al 5A zeolite內傳熱系數h2/(cm2K-t.s)3.85×103外傳熱系數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(xiàn)Fig. 2 Isotherms of O in air at 5A zeolite熱容參數b/(J·g-lK2)4.141×10-32.076×10-313個(gè)內配置點(diǎn),SA循環(huán)中用空氣充壓,產(chǎn)品氣氧組成gkK)-134×07-01092x10221.8的濃度和床層的溫度達到穩定狀態(tài)需12個(gè)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Table 2 Isotherm parameters LDF inefficients N2/O a 5A geolite2結果與討論吸附平衡參數kIx 10/(molg")5,494本文采用國產(chǎn)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(shí)間(5sk3 x 10/kPa0.508915s-5-15s-5g-5s)對等溫和非等溫下wSA空分制釵過(guò)程進(jìn)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(shí)進(jìn)行模擬。循環(huán)過(guò)程平均吸附夢(mèng)-△BOm)2001B1中產(chǎn)品氣O純度分別見(jiàn)圖3和圖4從圖3和圖4可知:產(chǎn)品氣中O2濃度在等溫狀態(tài)比非等溫時(shí)高,而且隨進(jìn)口流量的增加,兩種狀態(tài)南京工業(yè)大學(xué)學(xué)報第25卷7A Amur→等溫VSA非等溫vSA50mn,111t99圖5150kPa,沖洗比0.10時(shí),進(jìn)口流量對等溫和非等溫圖3在150kPa、0.10P∥F比時(shí),不同進(jìn)口流量下下產(chǎn)品氣中O2的純度、收率和產(chǎn)率的影響循環(huán)過(guò)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(zhù)進(jìn)流量的增加等溫狀態(tài)的產(chǎn)6.0 Lmin率比非等溫狀態(tài)時(shí)更大。等溫ⅤSA2.3沖洗比影響的比較在進(jìn)口流量為5.0L/min時(shí),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(jiàn)圖6。隨著(zhù)沖洗比的增加,產(chǎn)品氣中Q2純度逐漸增大,而O2收率和產(chǎn)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(shí),不同進(jìn)口流量下循環(huán)過(guò)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(shí),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(jìn)口流量影響的比較選擇進(jìn)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(guò)程進(jìn)行模擬,結果如圖5所示圖6150kPa,50Lmin時(shí),沖洗比P/F對產(chǎn)品從圖5可知隨著(zhù)進(jìn)口流量的增加,兩種狀態(tài)下中O2的純度、收率和產(chǎn)率的彩響的產(chǎn)品氣O2純度隨之降低,而O收率和產(chǎn)率開(kāi)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(guò)程模擬比較53ⅤsSA循環(huán)過(guò)程在等溫與非等溫條件下床層中6個(gè)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(shí)高說(shuō)明在產(chǎn)品氣O2純度一定時(shí)等在293.5K溫度下,本文通過(guò)用實(shí)驗測定的數溫狀態(tài)的空氣處理量要比非等溫時(shí)大,從而增加O2據對等溫與非等溫狀態(tài)下兩床真空變壓吸附(sA)產(chǎn)率。圖8為非等溫VSA空分制O2床層中0.5和空分制Q2過(guò)程進(jìn)行模擬,在木實(shí)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(shuō)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(chǎn)率都比非等溫時(shí)的高;而且吸附壓力越小,兩者的差別越大。(2)隨著(zhù)進(jìn)冂流量的增加,產(chǎn)品氣O2純度隨之降低,O2收率和產(chǎn)率開(kāi)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(zhù)沖洗比的增加,產(chǎn)品氣中O2純度逐漸增大,而O2收率和產(chǎn)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(guò)程屮溫度變化對其產(chǎn)品氣O2純度、收率和產(chǎn)率有明顯的影響,從而影響其工藝操作條件。通過(guò)VsA空分制氧中等溫與非200ID等溫過(guò)程的模擬比較充分說(shuō)明了在變壓吸附過(guò)程制O2中應考慮床層中熱效應的影響符號說(shuō)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(xiàn)模型參數(kPa)氣相熱容(Jml-·K1)軸向擴散系數(cmk…·k6等溫線(xiàn)模型參數KL軸向導熱系數(Jcm-2K-s-1)ZF0.86LnP床層長(cháng)度(cm)等溫線(xiàn)模型參數床層總壓(kha)P(O2)產(chǎn)品氣氧的產(chǎn)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(chǎn)品氣氧的收率(%)500600床層外徑(cm)R氣體常數(Jmol-1K-1)圖8在150kPa、5.01/mn和0.10P/F比下,床層中不x(O2)產(chǎn)品氣氧的摩爾分數(%)同位置溫度的循環(huán)波動(dòng)。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(zhì) Peclet數傳熱 Peclet數南京T業(yè)大學(xué)學(xué)報第25卷負載比關(guān)系式( the loading ratio corelation)線(xiàn)性驅動(dòng)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(guò)程模擬D」,南京:南京工業(yè)大學(xué)[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(shí)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(xué),2001Historical Perspective[ J]. Sep Sci Tech, 1996, 31(7), 877-894]Rgsu, Yang R T. Limits for air scparation by adsorption with 1i[l!]工嘛,馬正飛,周漢濤,等.兩床變出吸附空分制氧過(guò)程的模擬[門(mén).天然氣化工,20(1):5056D2.時(shí)鈞,汪家鼎,余國琮,等,化學(xué)工程手冊一化工基礎數據[5 Jee JG, Lv JS. Ie H. Air sep ara i n by a sruall-sale IwrbN[M].第2版.北京:化學(xué)工業(yè)出版社,19%Comparison of simulating vacuum swing adsorption process for O2product from air at isothermal and non-isothermal conditionsWANG Xiao, MA Zheng-fei, YAO Hu-qingCollege of Chemistry and Chemical Engineering, Nanjing University of TechnOlogy, Nanjing 210009, China)Abstract: The data of N2-O adsorption equilibrin were measued by the laboratory setup of dynamic adsorption andwere applied on the comparison of isothermal and non-isothermal two-bed vacuum swing adsorption( VSA )process for O2product from Air. 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