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(鄭州大學化工與能源學院，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(鄭州大學化工與能源學院，河南 鄭州 450001)

為了深入研究變壓吸附空分制氧的傳質過程，根據工廠實際應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功能對兩床Skarstrom循環過程進行了模擬研究。將模擬值與文獻值作了對比，結果吻合良好。分析了顆粒直徑對床層吸附過程的影響，結果表明：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；顆粒直徑

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

針對變壓吸附空分制氧的數值模擬，學者們做了諸多研究。卜令兵[2]等在流體動力學的基礎上對變壓吸附系統進行研究。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過程，對吸附床內的傳遞現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 吸附過程的數學模型

1.1 物理模型

Skarstrom兩床四步循環過程如圖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，吸附塔結構如圖2所示。包括上、下兩個球形封頭，上、下兩塊孔板氣體分布器，中間為填料層傳質吸附區。

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兩床四步循環過程

圖2 吸附塔結構

表1 初始條件

邊界條件如表2所示。

表2 邊界條件

2 結果與分析

2.1 模擬值與文獻對比

將各個循環所得出口氧氣摩爾分數與文獻[4]進行對比，如圖3所示。由圖可知，隨著循環過程的進行，氧氣摩爾分數逐漸增加，大約經過6個循環，過程達到穩定，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1床吸附結束后的氧氣摩爾分數對比圖。結果顯示：顆粒直徑越小，氧氣摩爾分數越大。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 結語

相同條件下，采用較小顆?？梢栽黾友鯕饽柗謹?，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，關建郁.變壓吸附技術應用研究進展[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.