變壓吸附制氫均壓過程分析

殷文華，卜令兵，伍 毅，張 杰

(四川天一科技股份有限公司 變壓吸附分離工程研究所，成都 610225)

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·工藝與設(shè)備·

變壓吸附制氫均壓過程分析

殷文華，卜令兵，伍 毅，張 杰

(四川天一科技股份有限公司 變壓吸附分離工程研究所，成都 610225)

建立了變壓吸附制氫均壓過程的一維瞬態(tài)模型，對(duì)均壓過程系統(tǒng)的壓力和速度進(jìn)行了計(jì)算分析。計(jì)算結(jié)果顯示，系統(tǒng)的壓力降呈非對(duì)稱分布，低壓側(cè)的壓力降大于高壓側(cè)的壓力降，部分均壓步驟中均壓閥的壓力降占到系統(tǒng)壓力降的40%；均壓時(shí)低壓側(cè)的速度大于高壓側(cè)的速度，且均壓靠后步驟速度大于均壓靠前步驟的速度。

變壓吸附；均壓過程；數(shù)值模擬；流體力學(xué)

0 引 言

變壓吸附制氫作為氫氣提純與凈化的一種重要手段，以其能耗低、投資省、操作方便靈活的特點(diǎn)，近年來得到快速發(fā)展，已經(jīng)投入運(yùn)行的變壓吸附制氫裝置最大規(guī)模已經(jīng)達(dá)到280 000 Nm3/h，裝置的運(yùn)行壓力達(dá)到4.5 MPa。隨著變壓吸附制氫裝置的大型化和高壓化，如何保證裝置的長(zhǎng)期、安全、穩(wěn)定、高效運(yùn)行成為變壓吸附科研人員的研究課題，四川天一科技股份有限公司投入大量資金和人力針對(duì)影響大型裝置和高壓裝置的運(yùn)行因素開展了系統(tǒng)的研究[1-4]。本文研究變壓吸附制氫均壓過程的壓力和速度變化，為深入理解、研究和優(yōu)化變壓吸附制氫過程提供理論基礎(chǔ)。

1 數(shù)學(xué)模型

1.1 均壓過程

變壓吸附均壓步驟是完成高壓吸附過程和低壓再生過程之間的壓力轉(zhuǎn)換步驟，需要降壓解吸的吸附床壓力逐級(jí)下降，而需要升壓的吸附床壓力得到逐級(jí)升高，從而使吸附床降壓排出的有用氣體得到有效利用[5]。均壓步驟的主要作用是回收吸附床降壓過程排出的有用氣體和壓力能。

均壓過程屬于瞬態(tài)過程，對(duì)該過程的研究可以從均壓對(duì)產(chǎn)品純度和收率的影響,均壓壓力遵從的數(shù)學(xué)規(guī)律[6]，以及均壓過程壓力和速度的變化規(guī)律等多個(gè)方面進(jìn)行深入研究，本文采用一維瞬態(tài)流體力學(xué)對(duì)均壓過程的壓力變化和速度變化進(jìn)行模擬研究。

1.2 管內(nèi)一維瞬態(tài)流動(dòng)模型

管路系統(tǒng)中的非恒定流動(dòng)是由于組成系統(tǒng)的某一元件的工作狀態(tài)變更或受外界干擾引起的，對(duì)管路系統(tǒng)瞬態(tài)特性進(jìn)行分析，主要是對(duì)在不同激勵(lì)條件和不同管道邊界條件下管道的瞬態(tài)響應(yīng)進(jìn)行的仿真計(jì)算，求得系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性。

管內(nèi)一維非恒定流動(dòng)可以用波動(dòng)方程描述[7]：

(1)

(2)

其中，p為壓力，Q為流量，ρ為流體密度，A為管道截面積，f(Q)為與流量Q有關(guān)的摩擦阻力項(xiàng)，a為壓力波的傳播速度，其計(jì)算公式為：

式中，Ke為流體的彈性模量，D為管道外直徑，b為管壁厚度，E為管材的彈性模量，μ為管材的波桑比。因?yàn)樵谝话愕牧黧w管道中，壓力波的傳播速度遠(yuǎn)大于流速，因此，波動(dòng)方程可以簡(jiǎn)化為：

(3)

(4)

特征線法是偏微分方程的一種數(shù)值解法，它將偏微分方程變換成特殊的全微分方程，然后對(duì)全微分方程積分，得到便于數(shù)值處理的有限差分方程，特征線法可非常方便使用計(jì)算機(jī)進(jìn)行快速運(yùn)算。波動(dòng)方程按特征線解法變換最后得到波動(dòng)方程變換后的四個(gè)常微分方程為：

(5)

(6)

1.3 均壓過程物理模型

根據(jù)工業(yè)變壓吸附裝置建立了如圖1所示的變壓吸附均壓過程模擬的物理模型。變壓吸附系統(tǒng)的均壓過程是由兩個(gè)吸附塔和閥門、管道、彎頭、三通等元件組成一個(gè)封閉的系統(tǒng)，在本文建立的物理模型中，局部阻力如：三通、彎頭、閘閥等都以等效的直管段阻力代替，以某50 000Nm3/h的變壓吸附制氫工業(yè)裝置為模型進(jìn)行模擬計(jì)算。

圖1 變壓吸附制氫均壓模型

2 計(jì)算結(jié)果分析

2.1 壓力

圖1中，在均壓的兩吸附塔出口和均壓閥門進(jìn)出口共設(shè)6個(gè)壓力點(diǎn)，這樣整個(gè)均壓系統(tǒng)分成五段，與兩個(gè)吸附塔相連的管道為主管道，均壓閥門之間的管道為均壓管道，對(duì)于同一套制氫裝置，每個(gè)均壓步驟對(duì)應(yīng)相同的主管道和不同的均壓管道。在計(jì)算均壓時(shí)每段管道的壓力降所占比例時(shí)，與均壓降和均壓升吸附塔相連的主管道分別記為管件A和管件E，高壓側(cè)均壓閥記為管件B，低壓側(cè)均壓閥記為管件D，均壓管道記為管件C。圖2為均壓開始時(shí)各壓力點(diǎn)的壓力圖，圖3為均壓開始時(shí)各管件的壓力降比例。

圖2 壓力分布圖

圖3 各管件壓力降比例圖

由圖2和圖3可以看出，在均壓過程中，整個(gè)系統(tǒng)的壓力降分布很不平衡，其中與高壓吸附塔相連的主管路的壓力降最小，均壓管道的壓力降最大，且整個(gè)系統(tǒng)非對(duì)稱分布，高壓側(cè)的管路阻力小，低壓側(cè)的管路阻力大。

在均壓過程中，均壓閥門的阻力降占較大的比例，對(duì)于一均和三均步驟，均壓閥門的阻力降為整個(gè)系統(tǒng)阻力降的40%，并且低壓側(cè)均壓閥的壓力降比低壓側(cè)均壓閥的壓力降大，對(duì)于部分步驟，低壓側(cè)均壓閥的壓力降達(dá)到高壓側(cè)均壓閥壓力降的1.5倍。均壓閥門的高壓力降使得其在均壓過程中受到很大的沖擊，因此提高閥門的耐沖刷性能，有利于變壓吸附制氫裝置的穩(wěn)定運(yùn)行。

2.2 速度分布

在均壓過程中設(shè)置4個(gè)速度點(diǎn)，其中高低壓吸附塔的出口分別記為位置1和6，高低壓均壓閥的出口位置分別記為位置3和位置5。在均壓開始時(shí)各位置的速度如圖4所示。

圖4 各位置速度圖

由圖4可以看出，在低壓側(cè)均壓閥門以前，管路系統(tǒng)的速度逐漸增加，且在低壓側(cè)均壓閥處相差最大，均壓步驟越靠后，其低壓側(cè)均壓閥處的速度越大，且在低壓側(cè)吸附塔入口處的速度也越大。在圖4中位置6的速度比位置5的速度低主要是因?yàn)樵?/p>

均壓系統(tǒng)中，與吸附塔相連的主管道直徑大于均壓管道直徑；在均壓時(shí)，系統(tǒng)的壓力逐步降低，氣體的膨脹使得氣體流速從位置1到位置5逐步增加，且最后一步均壓由于兩塔的壓力比大，速度的變化更為明顯。

3 小 結(jié)

通過模擬計(jì)算變壓吸附制氫均壓過程中壓力和速度，進(jìn)一步了解壓力和速度的變化規(guī)律及分布規(guī)律，為更好指導(dǎo)變壓吸附裝置的設(shè)計(jì)、研究和解決變壓吸附制氫裝置運(yùn)行過程存在的問題提供理論基礎(chǔ)。

[1] 卜令兵,郜豫川,張劍鋒，等.變壓吸附數(shù)值模擬的研究[J].煤化工,2009,37(4):30-32.

[2] 卜令兵,張劍鋒,楊云，等.變壓吸附氣體分布器研究開發(fā)[C]//2009年氫氣安全生產(chǎn)技術(shù)交流研討會(huì)論文集.蘇州:中國(guó)種業(yè)氣體工業(yè)協(xié)會(huì)氫氣專業(yè)委員會(huì),2009.

[3] 卜令兵,郜豫川,李克兵,等.氣體分布器流場(chǎng)PIV測(cè)量[J].天然氣化工,2012,37(2):45-47.

[4] 卜令兵,殷文華,曾凡華,等.變壓吸附制氫裝置噪聲分析與控制技術(shù)研究[J],低溫與特氣,2012,30(3):25-27.

[5] 湯洪.變壓吸附裝置中均壓設(shè)計(jì)的討論[J].化工設(shè)計(jì),2003(13):15-18.

[6] 卜令兵,殷文華,等.變壓吸附均壓過程壓力數(shù)據(jù)擬合研究[J],低溫與特氣,2012,30(5):18-21.

[7] 蔡亦鋼.流體傳輸管道動(dòng)力學(xué)[M].杭州:浙江大學(xué)出版社,1990.

Analysis of PSA-H2Pressure Equalizing Process

YIN Wenhua，BU Lingbing，WU Yi, ZHANG Jie

(PSA Business Group, Sichuan Tianyi Science and Technology Co., Ltd, Chengdu 610225, China)

The article constituted the model of the pressure equalizing process of PSA-H2by 1D transient hydrodynamics, simulated the pressure equalizing process. The simulating result indicated that the pressure drop is asymmetric, the pressure drop is bigger and the velocity is higher in low-pressure side, the pressure drop of the valves accounted for 40% in some pressure equalization process.

pressure swwing adsorption; pressure equalizing process; simulation; hydrodynamics

2016-09-16

TQ028.1

A

1007-7804(2016)05-0019-03

10.3969/j.issn.1007-7804.2016.05.006

殷文華(1975)，男，高級(jí)工程師，1998年畢業(yè)于天津大學(xué)，工學(xué)學(xué)士。就職于四川天一科技股份有限公司，主要從事變壓吸附氣體分離技術(shù)的開發(fā)和工業(yè)化應(yīng)用研究。電郵：Yinwh_psa@163.com。