吸附制氧過程軸向流吸附床內(nèi)溫度分布研究

鮑化坤，鄭新港

(1.中國恩菲工程技術(shù)有限公司，北京 100038; 2.中國科學(xué)院過程工程研究所，北京 100190)

?

吸附制氧過程軸向流吸附床內(nèi)溫度分布研究

鮑化坤1，鄭新港2

(1.中國恩菲工程技術(shù)有限公司，北京 100038; 2.中國科學(xué)院過程工程研究所，北京 100190)

為了深入研究吸附式空分制氧過程的溫度分布，采用二維數(shù)值模型對吸附床的溫度分布進行模擬分析。結(jié)果表明，在循環(huán)穩(wěn)定時床內(nèi)溫度波動約10 ℃，并且溫度變化主要發(fā)生在升壓和降壓階段；在分離過程中氮氣的吸附量遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于氧氣的吸附量，所以吸附熱主要是由氮氣的吸附引起的，因此溫度的分布云圖非常類似于氮氣吸附量的分布；在本研究中壁面換熱對床內(nèi)溫度和濃度分布的影響較小，可以近似當(dāng)作絕熱床處理。

二維吸附床； 吸附熱； 傳質(zhì)； 數(shù)值模擬； 溫度分布

0 前言

吸附床內(nèi)的溫度分布是影響變壓吸附分離性能的重要因素，而采用數(shù)值模擬則是深入研究這一過程的重要手段，但在以往的研究中多采用活塞流的假設(shè)，忽略了徑向的分布。眾多研究者指出固定床中的徑向分布對工藝有著重要的影響[1-2]，一些研究者[3]采用實驗方法證實了壁面附近存在的濃度和速度梯度。McGreave等[4]較早地在其數(shù)學(xué)模型中考慮了吸附床內(nèi)的徑向分布因素，此后Tobis等[5]改進了此模型，充分考慮了溫度的影響；Mohamadinejad等[6]發(fā)現(xiàn)近壁區(qū)域的穿透曲線明顯早于床層中心區(qū)域的穿透曲線。Kwapinski等[7]也采用實驗和數(shù)值模擬的方法研究了空氣的吸附干燥過程，發(fā)現(xiàn)邊流效應(yīng)對過程性能影響很明顯，簡化的模型會給出較差的預(yù)測。

由于吸附床內(nèi)在徑向上存在不均勻分布，作者此前建立了吸附床內(nèi)的二維數(shù)學(xué)模型[8]，并利用此模型探討了吸附床內(nèi)的濃度和速度分布。本文在此研究基礎(chǔ)上，利用數(shù)值模擬方法研究變壓吸附循環(huán)過程中床層內(nèi)軸向和徑向的溫度分布，探討影響床內(nèi)溫度分布的因素。

1 數(shù)值模型及求解方法

1.1 物理模型

數(shù)值研究中吸附床的物理模型如圖1所示。在吸附床內(nèi)均勻裝填各向同性的球形LiX沸石分子篩，直徑為0.16 cm。模型吸附床直徑8 cm，長度50 cm，其中進氣口和出氣口直徑均為0.8 cm，端部空間的高度分別為hi=1.6 cm，ho=1.4 cm。分離過程由4個基本階段構(gòu)成,分別是：升壓、吸附、降壓和反吹。

1.2 數(shù)學(xué)模型

(1)氣體組分吸附過程的傳質(zhì)速率模型

氣體吸附過程的傳質(zhì)速率采用線性驅(qū)動力模型(LDF model)計算，其方程如下：

(1)

式中：qi為固相氣體濃度，mol/kg；q*為氣體平衡吸附量，mol/kg；ki為質(zhì)量傳質(zhì)系數(shù)。

(2)吸附平衡模型

氣體組分的吸附平衡模型利用多組分的朗格繆爾方程計算，其方程如下：

(2)

(3)

圖1 物理模型

式中：pi為氣體組分分壓力，kPa；T為溫度，K；bk、q*為朗格繆爾常數(shù)。

(3)氣體組分守恒方程

(4)

(5)

(4)總質(zhì)量守恒方程

(6)

(5)動量守恒方程

氣體在多孔介質(zhì)顆粒上的吸附過程，還會引起動量的損失，所以在方程中考慮了由于吸附引起的附加動量變化。

(7)

(8)

式中：F為動量源項；μ為氣體粘性系數(shù)，N·s/m2。

(6)能量守恒方程

(9)

(10)

式中：ΔHi為氣體的吸附熱，J/mol。

(7)氣體混合物的狀態(tài)方程

(11)

式中：Mw為氣體摩爾分子質(zhì)量，g/mol；T為溫度，K；R為氣體常數(shù)。

(8)多孔介質(zhì)床層內(nèi)徑向空隙率

顆粒在床層壁面附近引起的空隙率變化，采用Nield提出的固定床內(nèi)徑向孔隙率公式描述：

ε=0.4[1+1.4exp (-5y/dp)]

(12)

式中：y為距離壁面長度，m。

1.3 初始條件和邊界條件假定

模擬過程采用的初始條件如表1所示，初始壓力為1個大氣壓(101 325 Pa)，初始溫度為288 K。數(shù)值研究了執(zhí)行斯卡斯道穆循環(huán)的雙床系統(tǒng)，其循環(huán)過程和邊界條件如表2所示。兩個吸附床分別經(jīng)歷著升壓、吸附、降壓和反吹四個步驟。

表1 初始條件

1.4 計算方法

本文利用流體力學(xué)Fluent軟件針對前述的模型和邊解條件進行求解。為了提高計算精度和速度，對模型采用正交網(wǎng)格劃分，且對壁面附近網(wǎng)格進行加密，按文獻[8]給出的方法對以上方程進行求解。

2 結(jié)果討論

2.1 吸附床內(nèi)溫度的演變及其分布規(guī)律

2.1.1 床內(nèi)循環(huán)次數(shù)對溫度的影響

圖2為循環(huán)達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)時吸附床軸線中點處的溫度變化曲線。從圖中可以看出，隨著循環(huán)的進行，床內(nèi)最高溫度略微下降，經(jīng)過約6個循環(huán)后，床內(nèi)溫度波動基本穩(wěn)定，吸附床達(dá)到循環(huán)穩(wěn)定態(tài)。

表2 循環(huán)過程和邊界條件

圖4 吸附結(jié)束步驟相關(guān)參數(shù)分布云圖

圖2 吸附床中點處溫度隨循環(huán)次數(shù)的變化

圖3給出了達(dá)到循環(huán)穩(wěn)定態(tài)時吸附床軸向中點處p0點在一個吸附循環(huán)周期內(nèi)的壓力、溫度及N2濃度隨時間的變化關(guān)系。從圖可以看出，達(dá)到循環(huán)穩(wěn)定時，床層內(nèi)溫度變化大約為10 ℃，其中的溫度變化主要發(fā)生在升壓和降壓階段，溫度的變化趨勢類似于Teague和Edgar[9]及Jee[10]等的實驗值，但是要略大于他們的變化，這可能是由于LiX吸附劑具有較高吸附熱引起的。從圖3還可以看出，溫度與壓力有著基本相同的變化趨勢，這因為吸附量主要受壓力變化的影響，因此隨著壓力的變化和吸附傳質(zhì)區(qū)的位置變化，吸附床內(nèi)的溫度也相應(yīng)做類似的變化。

圖3 一個周期內(nèi)中點處溫度和壓力的變化關(guān)系

2.1.2 吸附終了時刻溫度分布云圖

圖4給出了吸附循環(huán)過程結(jié)束時，吸附床的溫度、氮氣吸附量和氧氣吸附量各參數(shù)的分布云圖。從圖中可以看出，溫度的分布非常類似氮氣吸附量的分布，這是因為氮氣的吸附量遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于氧氣的吸附量，所以吸附熱主要是由于氮氣的吸附引起的。不均勻的溫度分布主要在傳質(zhì)區(qū)和進出口區(qū)域，傳質(zhì)區(qū)域溫度分布不均主要是近壁孔隙率變化導(dǎo)致氣體偏流引起的；吸附床入口處較低的溫度區(qū)則是由“入口效應(yīng)”引起的，即此處較高的氣流速度引起了氣-固間較大的對流換熱。

2.2 影響吸附床內(nèi)溫度分布的因素分析

2.2.1 壁面換熱對溫度及濃度的影響

圖5 壁面換熱對溫度和濃度分布的影響

2.2.2 反吹比對溫度的影響

圖6給出了反吹階段結(jié)束時刻不同反吹比情況下床內(nèi)軸向溫度分布情況。由圖可見，氣體反吹量的增加使得溫度波峰面向進氣端推進，但是形狀基本保持不變。在反吹比從0.3變?yōu)?.5的情況下，溫度下降了約2 ℃左右。反吹比對溫度的影響明顯，溫度隨著反吹比的增加而下降愈大。

圖6 循環(huán)穩(wěn)定時模型預(yù)測的不同反吹比后軸向溫度分布

3 結(jié)論

(1)采用二維數(shù)學(xué)模型分析了吸附床內(nèi)的溫度分布規(guī)律，模型中考慮了吸附引起的變質(zhì)量流動，另外對徑向空隙率分布也予以考慮，數(shù)值結(jié)果直觀地顯示了吸附床內(nèi)的溫度場及其分布規(guī)律，并分析了吸附床內(nèi)濃度演變過程；

(2)模擬結(jié)果顯示，吸附分離過程達(dá)到循環(huán)穩(wěn)定時，吸附床內(nèi)溫度波動約為10 ℃，溫度升降變化規(guī)律與壓力變化規(guī)律基本一致，并且溫度變化主要發(fā)生于升壓和降壓過程；

(3)由于氮氣的吸附量遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于氧氣的吸附量，所以吸附熱主要是由氮氣的吸附引起的，因此溫度的分布云圖類似氮氣吸附量的分布；

(4)因為吸附劑床層的熱擴散率非常小，本研究中壁面換熱對床內(nèi)溫度和濃度分布的影響較小，所以在吸附床直徑較大的情況下，可以近似當(dāng)作絕熱床處理；

(5)反吹比也對床層的溫度分布有著很大的影響，反吹比的增加會使得床層平均溫度下降，反吹比越大，溫度下降越大。

[1] Schwartz C E,Smith J M.Flow distribution in packed beds [J].Industrial & Engineering Chemistry Research.1953,45(6):1209-1218.

[2] Vortmeyer D,Winter R P.Improvement in reactor analysis incorporating porosity and velocity profiles[J].Ger.Chem.Eng.1984,7(1):19-25.

[3] Salem K,Tsotsas E,Mewes D.Tomographic measurement of breakthrough in a packed bed adsorber[J].Chemical Engineering Science.2005,60(2):517-522.

[4] McGreavey C,Foumeny E A,Javed K H.Characterization of transport properties for fixed bed in terms of local bed structure and flow distribution[J].Chemical Engineering Science.1986,41(4):787-797.

[5] Tobis J,Vortmeyer D.The near-wallchanneling effect on isothermal constant-pattern adsorption[J].Chemical Engineering Science.1988,43(6):1363-1369.

[6] Mohamadinejad H,Knox J C,Smith J E.Experimental and numerical investigation of two-dimensional CO2adsorption/desorption in packed sorption beds under non-ideal flows[J].Separation science and technology.2003,38(16):3875-3904.

[7] Kwapinski W,Winterberg M,Tsotsas E,et al.Modeling of the wall effect in packed bed adsorption[J].Chemical Engineering & Technology,2004,27(11):1179-1186.

[8] Zheng X,Liu Y,Liu W.Two-dimensional modeling of the transport phenomena in the adsorber during pessure swing adsorption process[J].Industrial & Engineering Chemistry Research,2010,49(22):11814-11824.

[9] Teague K G,Edgar T T.Predictive dynamic model of a small pressure swing adsorption air separation unit[J].Industrial & Engineering Chemistry Research,1999,38(10):3761-3775.

[10] Jee J G,Lee J S,Lee C H.Air separation by a small-scale two-bed medical O2 pressure swing adsorption[J].Industrial & Engineering Chemistry Research,2001,40(16):3647-3658.

[11] Ruthven D M,Farooq S,Knaebeli K S.Pressure swing adsorption[M].New York:VCH Publishers,1994.

Study on temperature distribution in axial adsorption bed during adsorption oxygen generation process

BAO Hua-kun,ZHENG Xin-gang

In order to study the temperature distribution in the process of adsorption air separation oxygen generation,a two dimensional (2D) numerical model was used to simulate and analyze the temperature distribution in adsorption bed.The simulation analysis shows that the temperature fluctuation in adsorption bed is about 10℃ in the steady state of cycle,and the temperature variations mainly occurred within the boost and buck step.The adsorption heat is mainly caused by the adsorption of nitrogen due to its larger amounts of adsorption in separation process than that of oxygen.So the temperature distribution cloud chart is very similar to the distribution of nitrogen adsorption amounts.In this study,the temperature and concentration distribution in absorption bed are less influenced by the wall heat transfer,and it can be treated as an adiabatic bed.

two dimension adsorption bed; adsorption heat; mass transfer; numerical simulation; temperature distribution

鮑化坤(1966—)，男，山東煙臺人，主任工程師，高級工程師，主要從事余熱回收發(fā)電、氧氣站、空壓機站等熱能動力工程及垃圾焚燒發(fā)電方面設(shè)計工作。

2014-07-21

TQ028.1

B

1672-6103(2015)01-0044-05