第51卷第5期化工學報Vol. 51 No5000年10月Journal of Chemical Industry and Engineering( ChinaOctober 2000研究論文變壓吸附空分制氮過程的研究盧洪李成岳北京化工大學化學工程學院,北京100029)摘要建立了一套中試裝置,對以商業(yè)炭分子篩為吸附劑的變壓吸ⅨA)空分制氮循環(huán)過程進行了系統(tǒng)研究.用所建立的數(shù)學模型對相應實驗進行模擬并將模型預測與實驗數(shù)據(jù)進行比較,結果表明模型是可靠的關鍵詞空氣分離變壓吸附氮氣中圖分類號TQ28.5引言6對變壓吸附循環(huán)過程, Raghavan12Hassan3H及Faro5均進行過模型預測與實驗的對照研究,但所涉及裝置均為小型的實驗裝置,其吸附柱直徑僅為幾cm,吸附柱內(nèi)工況與工業(yè)裝置存在較大差異.另外在相關文獻中也未見到對吸附柱5內(nèi)氣相濃度分布進行實驗測定并與模擬結果進行比較的報道.顯然,僅僅將實驗中吸附柱出口的濃度與模型預測值進行比較去證明模型的可靠性是不夠Fig. I Flow sheet of PSA unit for nitrogen production的.本文報道在中試裝置上,在接近工業(yè)裝置的操-compressor : 2--water cooler 3-condlensate collector作條件下,測定吸附塔軸向溫、濃度分布,并對整4-drving towers 5-12-solenoid valves 13-buffer tank個循環(huán)過程的特性進行模擬與實驗研究的結果14--flowmeter 15--pressure regulating valve 16-adsorptioncolumns 17-20-check valves 21-28-solenoid valves1實驗29--nitrogen tank實驗裝置的工藝流程如圖1所示,空氣預處理調(diào)壓閥調(diào)節(jié)至指定壓力并經(jīng)轉(zhuǎn)子流量計計量后作為包括壓縮及脫水,原料空氣經(jīng)壓縮機升壓后進入間產(chǎn)品氣體引出;另一路計量后進入再生塔進行吹掃壁式水冷器使壓縮空氣中的水部分冷凝,然后進入再生,反吹計量管路由4個單向閥和1個轉(zhuǎn)子流量干燥器進一步吸附脫水.干燥部分由兩個交替使用計組成的硅膠干燥器組成,當其中一個處于吸附狀態(tài)時實驗裝置的循環(huán)方式與大多數(shù)工業(yè)裝置的實際從該塔引岀部分干燥空氣對另一干燥塔進行吹掃再操作相冋,由4個階段組成:加壓吸附→均壓(降生,反之亦然壓)放空吹掃→均壓升壓)加壓吸附干燥空氣經(jīng)減壓閥減壓后進入緩沖罐,經(jīng)過轉(zhuǎn)1.1吸附床及吸附劑規(guī)格子流量計計量后,由調(diào)壓閥調(diào)節(jié)至指定壓力進入吸實驗裝置吸附床尺寸及吸附劑的有關數(shù)據(jù)如附塔進行吸附分離.氣體的流動均由電磁閥控制,下:裝置額定產(chǎn)氣量1.0mh-1,每床填充德國產(chǎn)其中電磁閥23、24用于均壓操作,離開吸附塔的BF型炭分子篩吸附劑7.5kg,床層空隙率0.32,吸氣體分為兩路,一路經(jīng)出口閥進入氮氣貯罐,由附塔高800m,吸附劑有效填充高度720mm,塔徑159mm;吸附劑顆粒尺寸為φ2mm×2~5mm199904-09收到初稿,199908-24收到修改稿顆粒表觀密度為0.84×10kgm-3.由于吸附塔直聯(lián)系人:李成岳.第一作者:盧洪,男,27歲,碩士,工程徑比一般實驗研究所用吸附柱要大得多,可以認為第51卷第5期盧洪等:變壓吸附空分制氮過程的研究1.2溫度測量層溫度波動很小,對吸附分離幾乎不產(chǎn)生影響,無為了考察吸附塔內(nèi)軸向溫度分布及熱效應的大論操作條件如何改變,軸向溫度分布曲線基本在環(huán)小,在吸附塔的塔壁上沿軸向不同位置開設7個測境溫度附近浮動,上下不超過3℃,如圖2(a溫口,分別安裝E型鎧裝熱電偶,其測量端沿徑圖xb所示向伸至吸附塔軸線位置.熱電偶進行冷端補償后直表觀吸附熱效應與基礎實驗中所測得吸附熱較接與PCL-818L及PCID-789D數(shù)據(jù)采集卡連接,小的結果是相容的,因此,吸附熱效應在建立變壓用一臺微機對吸附塔溫度進行實時跟蹤測量并吸附空分制氮模型時可以不予考慮6]記錄2.2數(shù)學模型1.3濃度測量由于本系統(tǒng)的熱效應較小,因此,在建立數(shù)學為了測定吸附塔內(nèi)氣相氧濃度的軸向分布,沿模型時可不考慮熱量衡算,而僅僅考慮吸附塔內(nèi)的吸附塔璧在軸冋不同位置處開了7個采樣口,待體質(zhì)量衡算,本文所建立的吸附塔數(shù)學模型見附錄系達到循環(huán)定態(tài)后,打開指定位置的采樣閥,與便利用所建立的數(shù)學模型,對實驗裝置的性能進攜式CY-丌B型數(shù)字測氧儀連接,對同一周期內(nèi)幾行了模擬與預測.涉及到的一些操作參數(shù)及模型參個特定時刻的濃度值進行測定,直到數(shù)據(jù)穩(wěn)定,然數(shù),確定方法如下后對下一測點相應時刻的濃度值進行測定,直到取23吸附塔壓力得所有測點在對應時刻的氧濃度數(shù)據(jù)為止.根據(jù)這為了確定各循環(huán)階段壓力變化情況,實驗過程些數(shù)據(jù)即可繪岀吸附塔內(nèi)氣相氧濃度隨時間的變化中,利用壓力表對各操作階段吸附塔內(nèi)壓力隨時間情況及軸向分布曲線.變化情況進行了跟蹤測量,得到各階段壓力變化曲1.4流量測量線.對壓力曲線進行擬合,即可得到壓力變化關聯(lián)根據(jù)實驗研究的需要,需對3處的流量及壓力式,用于模擬計算進行測量,以確定系統(tǒng)的原料氣消耗量、吹掃氣用2.4吸附平衡常數(shù)及擴散時間常數(shù)量及產(chǎn)氣量,從而確定本系統(tǒng)的性能指標.如圖1對N2、O2在炭分子篩(CMs)上的吸附基礎數(shù)所示,所有流量計量均使用轉(zhuǎn)子流量計.由于循環(huán)據(jù),采用文獻6沖所述實驗結果,如表1所示操作,進料及吹掃流量均會隨著操作階段旳轉(zhuǎn)換而Table 1 Equilibrium and diffusion time出現(xiàn)較大波動,因此在實驗數(shù)據(jù)的處理過程中只能constants of N2 and O,( 26C)近似地采用平均流量2實驗結果及與數(shù)值模擬的比較177×10-31.17×10-42.1吸附床層的熱效應2.5線性推動力傳質(zhì)LDF模型中的Ω值在實驗過程中,對床層溫度分布進行跟蹤考察模擬過程中,采用了實驗確定Ω值的方法表明,隨著吸附或解吸的進行,床層內(nèi)溫度分布的以表2中實驗10所列實驗數(shù)據(jù)來標定aA及B的變化趨勢合理反映岀吸附過程放熱和解吸過程吸熱值,然后用于模擬計算的特性.但從總體上來看,在吸附及解吸過程中床循環(huán)過程特性數(shù)值模擬與實驗數(shù)據(jù)的比較見表303.03020302.0301.0301.03000299.0299.000.20406081.000204060.81.0(a)adsorption step(b) purge steFig 2 Bed temperature588化報2000年10月Table 2 Comparison between experimental and simulation resultsxA/%( ProductRA2l,130.120.0010.1860,1880.15602.0.300.350.226.786003.560.330.371.680.3682.1601.67400.290.250.2440.251,70380.290.2630.2643.150.370.2840.2由表2可以看出,無論是產(chǎn)品純度還是氮氣回收率,模擬計算都能較好地預測實驗結果,幾乎所有模擬計算均能正確反映操作條件變化對性能的15影響下面進一步說明模型預測結果的可靠性圖3表明吸附塔岀口氧含量隨操作周期數(shù)增加而不斷變化的情況.隨著循環(huán)操作的進行,吸附塔10203040出囗處的氧含量從21%很快下降,大約經(jīng)過25個循環(huán)后,出口處濃度不再改變,從而達到循環(huán)定Fig 3 O2 molecule fraction at outlet is cycle numbe態(tài),模擬結果與實驗數(shù)據(jù)吻合(t0a=3.55cms-,toe=1.67cms1,p=3.1×10°Pa同一周期中床層內(nèi)濃度分布濃度波的移動情Pp=1.0×103Pa,tn=60s,tn=2s)況洳圖4所示,在加壓吸附階段,入口端漸趨飽和,吸附區(qū)域逐漸向出口端移動;在吹掃階段,在圖5及圖6分別表示體系性能隨流速比αN2的置換作用下得到清洗,吸附劑床層得以解吸(viv)和保留時間x(Bv4)的變化而改變,再生,無論是吸附階段還是吹掃階段,數(shù)值模擬結結果表明α和τ增大均有利于產(chǎn)品純度的提高,但果與實驗數(shù)據(jù)都很好吻合,因此,模型預測較好地氮氣回收率則相應降低反映了實際操作中的這一動態(tài)過程.圖7表明在特定的流速比a和保留時間r條件35251002040.60.81000.2040.6081.0(a)O2 molecule fraction profiles of adsorption step(b)O2 molecule fraction profiles of purge step(1oa=3.55cms1,to4=1.67cms1,t=60s,t=2s,p=3.1×10Pp=1.0×105Pa)第51卷第5期盧洪等:變壓吸附空分制氮過程的研究589有指導作用0.35(2)在BF-CMs吸附劑上,熱效應對PSA空030分制氮過程操作性能的影響可以忽略(3)線性推動力傳質(zhì)模型LDF,帶Ω因子)以很好地用于預測BF-CMS上PA空分制氮過程0405060.70.80.91.0的操作特性(4)在給定產(chǎn)品純度及其他操作條件后,適當延長吸附周期,可以在保證產(chǎn)品純度的前提下,降Fig 5 Unit performance us velocity ratio of purge/feed低氣比,節(jié)省操作費用(ta=60s,=2s,P2=3,1×l0Pa,p=1.0×10a)O口ep符號說明0.40c——床層氣相濃度,nolm30.35c——床層氣相總濃度,molm-3D—微孔擴散系數(shù),cm2s-11.0D——床層軸向擴散系數(shù),cm2s-1K——吸附平衝常數(shù)0.20k—氣固傳質(zhì)系數(shù),s0.151618202224L—吸附床層長度,cm吸附塔壓力p——吸附操作階段壓力,PaFig 6 Unit performance ts retaining time均壓操作階段壓力,P(tn=60s,l=2s,P2=3.1×10Pa,Pp=1.0×10Pa)P吹掃操作階段壓力,PaO囗exp.;sinu.吸附相濃度,mom-3吸附平衡濃度molm下,在所考察的范圍內(nèi),適當延長吸附階段的時微孔半徑,cm間,在產(chǎn)品純度并無明顯改變的前提下,可以顯著床層溫度,K提高氮氣回收率t-90時吸均氣間附壓相時時流間間0.27速操作條件下吸附階段入口流速-操作條件下吹掃階段入口流速摩爾分數(shù)607080Z—量綱1床層長度z—床層長度變量,cmFig. 7 Unit performance us operating perica——吹掃/進料流速比c床層空隙率OD exp保留時間——傳質(zhì)系數(shù)乘積因子結論上角標從實驗和模型化兩方面對SA空分制氮過程下角分初始狀態(tài)進行了較為深入的研究,得出如下結論A—氧組分590化報2000年10月1333-1343References4 Hassan MM, Raghavan NS, Ruthven D M. CES, 1987, 428):1 Raghavan N S, Hassan MM, Ruthven D M. AlChE J., 1985, 31(3):385-395 Farooq S, Ruthven D M, Boniface H A. CES, 1989, 44( 122 Raghavan N S, Ruthven D M. AIChE J, 1985, 31( 12): 20172809-28166 Lu Hong Fi ). Experimental Study and Numerical Simulation of Ai3 Hassan MM, Ruthven DM, Raghavan N S CES., 1986, 41(5)Separation by Pressure Swing Adsorption Process: dissertation I i1iex). Beijing: Beijing University of Chemical Techno1998PSA PROCESS FOR NITROGEN PRODUCTION FROM AIRLu Hong and Li ChengyueCollege of Chemical Engineering, Beijing University of Chemical Technology, Beijing 100029)Abstract The PSA( Pressure Swing Adsorption )cycling process for nitrogen production based on the adsorption sepa-ration of air on a commercial carbon molecular sieve was systematically studied. Experimental investigation was carriedout with a pilot plant packed with BF-CMS of 15kg. Transient axial concentration and temperature profiles were measured with a set of seven probes respectively by means of a PC-data gathering system. A mathematical model describing this process was also developed which included a Linear Drive Force mass transfer equation and a Henry adsorptionequilibrium equation. Some of results obtained in a pilot plant mainly product purity and nitrogen recoverymovement of concentration profile in the adsorption bed during adsorption and purge steps ) and comparison between ex-perimental data and results predicted by the model were reported. The reliability of the model was verified and parametricanalysis based on the model was completed. The experimental study and numerical simulation showed that for an existingPSA air separation system a set of specific operating parameters could be found it to obtain optimum performance withthe help of numerical simulation. The model could predict the performance of Psa air separation system perfectlyKeywords air separation, PSA, nitrogenTo whom correspond第51卷第5期盧洪等:變壓吸附空分制氮過程的研究9附錄變壓吸附空分制氮數(shù)學模型PSA空分制氮過程的動態(tài)行為可以用如下方程組來描述(1)流動氣相各組分質(zhì)量衡算D0(1)1-)q=0(2)式中(2)氣相總質(zhì)量衡算3)氣固質(zhì)量傳(固相質(zhì)量衡算)kAqa-9A)(5)式中gA =KACA書=KBCB=K(c1-cA)A·Dr2·D./r2lg如果不計二階軸向擴散項,則式1)~式3沖只有兩個是獨立的,例如可以保留式1廂和式3),因而模型微分方程由式1),式3)~式5成(4)邊界條件DL(6)(7)=0=10(加壓吸附時)(降壓均壓時)降壓吹掃時)(8)=(t)(加壓均壓時)y(9)#:指該值為另一塔均壓階段出口處流速5)初始條件潔凈床層z0)=0;q(z0)1(z0)(10)飽和床層cAz 0)=cA: 9(z 0)=KACA(:D)=k=K(e2-g式中z=0指沿流體流動方向的床層入口處L指沿流體流動方向的床層出口處