顆粒直徑對變壓吸附空分制氧的影響研究

趙俊霞 李偉杰 李文龍(鄭州大學(xué)化工與能源學(xué)院，河南 鄭州 450001)

顆粒直徑對變壓吸附空分制氧的影響研究

趙俊霞 李偉杰 李文龍(鄭州大學(xué)化工與能源學(xué)院，河南 鄭州 450001)

為了深入研究變壓吸附空分制氧的傳質(zhì)過程，根據(jù)工廠實際應(yīng)用的吸附塔建立二維物理模型，利用FLUENT軟件并采用用戶自定義函數(shù)功能對兩床Skarstrom循環(huán)過程進行了模擬研究。將模擬值與文獻值作了對比，結(jié)果吻合良好。分析了顆粒直徑對床層吸附過程的影響，結(jié)果表明：相同條件下，較小顆粒直徑能夠提高氧氣分離濃度。

變壓吸附；FLUENT；Skarstrom循環(huán)；顆粒直徑

變壓吸附技術(shù)由于具有能耗低、工藝流程簡單、操作費用小等優(yōu)點[1]，廣泛用于氣體的分離和回收領(lǐng)域，其中數(shù)值模擬是深入研究吸附過程的一種重要方法。由于變壓吸附循環(huán)是一個涉及傳質(zhì)、傳熱和能量傳遞的工藝過程，F(xiàn)LUENT自帶的多孔介質(zhì)模型不足以表現(xiàn)其內(nèi)在機理，需要利用用戶自定義函數(shù)功能使其成為能體現(xiàn)氣固兩相傳質(zhì)過程的模型。

針對變壓吸附空分制氧的數(shù)值模擬，學(xué)者們做了諸多研究。卜令兵[2]等在流體動力學(xué)的基礎(chǔ)上對變壓吸附系統(tǒng)進行研究。由宏新[3]等建立了變壓吸附兩相流FLUENT模型并加以驗證，與實驗結(jié)果吻合較好。Zheng X G[4]等采用了二維模型研究變壓吸附循環(huán)過程，對吸附床內(nèi)的傳遞現(xiàn)象進行了初步的探討。

由于研究顆粒直徑對吸附分離性能影響的報道較少，所以本文就利用耦合的FLUENT氣固兩相多孔介質(zhì)模型來研究顆粒直徑對氧氣分離濃度的影響，并分析其中原因。

1 吸附過程的數(shù)學(xué)模型

1.1 物理模型

Skarstrom兩床四步循環(huán)過程如圖1所示，四步分別為：加壓、吸附、降壓和反吹。

本文研究的變壓吸附制氧循環(huán)過程是基于目前工程實際中所使用的變壓吸附裝置，吸附塔結(jié)構(gòu)如圖2所示。包括上、下兩個球形封頭，上、下兩塊孔板氣體分布器，中間為填料層傳質(zhì)吸附區(qū)。

其中，口A、口B直徑為250mm，塔徑1400mm，填料層高度4700mm，裝填的是LiX分子篩，分布器孔徑60mm。

1.2 初始及邊界條件

研究的是空分制氧，為簡化模型，認為氣相組成為V(O2)∶V(N2)=21∶79，進氣質(zhì)量流率為2.913kg/s，初始條件如表1所示。

圖1 Skarstrom兩床四步循環(huán)過程

圖2 吸附塔結(jié)構(gòu)

表1 初始條件

邊界條件如表2所示。

表2 邊界條件

2 結(jié)果與分析

2.1 模擬值與文獻對比

將各個循環(huán)所得出口氧氣摩爾分數(shù)與文獻[4]進行對比，如圖3所示。由圖可知，隨著循環(huán)過程的進行，氧氣摩爾分數(shù)逐漸增加，大約經(jīng)過6個循環(huán)，過程達到穩(wěn)定，氧氣濃度在99%左右，與文獻比較吻合，證明了模型的正確性。

2.2 顆粒直徑對吸附過程的影響

圖3 模擬與文獻對比

圖4 顆粒直徑對氧氣摩爾分數(shù)的影響

研究顆粒直徑對吸附分離過程的影響，計算的顆粒直徑分別為0.8mm、1.6mm、2.4mm、3.2mm和4.0mm，圖4為不同顆粒直徑下第一次循環(huán)1床吸附結(jié)束后的氧氣摩爾分數(shù)對比圖。結(jié)果顯示：顆粒直徑越小，氧氣摩爾分數(shù)越大。因為小顆粒的比表面積較大，有助于吸附，但同時也會增加吸附時間。

3 結(jié)語

相同條件下，采用較小顆粒可以增加氧氣摩爾分數(shù)，增強分離效果，但同時由于較小顆粒裝填更密實，會增大氣體壓降，這不利于吸附分離，所以需要從多個方面對顆粒直徑做出選擇。

[1]柳珉敏，徐文東，關(guān)建郁.變壓吸附技術(shù)應(yīng)用研究進展[J].煤氣與熱力，2010，30(10)：1-4+40.

[2]卜令兵，李克兵，郜豫川,等.變壓吸附流體力學(xué)模擬[J].天然氣化工，2010,(01)：58-61+78.

[3]由宏新，陳勇，李慧敏.變壓吸附兩相流FLUENT模型的建立[J].現(xiàn)代化工，2013，33(9)：130-135.

[4] Zheng X G，Liu Y S，Liu W H. Two-Dimensional Modeling of the Transport Phenomena in the Adsorber During Pressure Swing Adsorption Process [J]. Industrial & Engineering Chemistry Research，2010，49.