吸附制氧过程轴向流吸附床内温度分布研究

鲍化坤，郑新港

(1.中国恩菲工程技术有限公司，北京 100038; 2.中国科学院过程工程研究所，北京 100190)



吸附制氧过程轴向流吸附床内温度分布研究

鲍化坤1，郑新港2

(1.中国恩菲工程技术有限公司，北京 100038; 2.中国科学院过程工程研究所，北京 100190)

为了深入研究吸附式空分制氧过程的温度分布，采用二维数值模型对吸附床的温度分布进行模拟分析。结果表明，在循环稳定时床内温度波动约10 ℃，并且温度变化主要发生在升压和降压阶段；在分离过程中氮气的吸附量远远大于氧气的吸附量，所以吸附热主要是由氮气的吸附引起的，因此温度的分布云图非常类似于氮气吸附量的分布；在本研究中壁面换热对床内温度和浓度分布的影响较小，可以近似当作绝热床处理。

二维吸附床； 吸附热； 传质； 数值模拟； 温度分布

0 前言

吸附床内的温度分布是影响变压吸附分离性能的重要因素，而采用数值模拟则是深入研究这一过程的重要手段，但在以往的研究中多采用活塞流的假设，忽略了径向的分布。众多研究者指出固定床中的径向分布对工艺有着重要的影响[1-2]，一些研究者[3]采用实验方法证实了壁面附近存在的浓度和速度梯度。McGreave等[4]较早地在其数学模型中考虑了吸附床内的径向分布因素，此后Tobis等[5]改进了此模型，充分考虑了温度的影响；Mohamadinejad等[6]发现近壁区域的穿透曲线明显早于床层中心区域的穿透曲线。Kwapinski等[7]也采用实验和数值模拟的方法研究了空气的吸附干燥过程，发现边流效应对过程性能影响很明显，简化的模型会给出较差的预测。

由于吸附床内在径向上存在不均匀分布，作者此前建立了吸附床内的二维数学模型[8]，并利用此模型探讨了吸附床内的浓度和速度分布。本文在此研究基础上，利用数值模拟方法研究变压吸附循环过程中床层内轴向和径向的温度分布，探讨影响床内温度分布的因素。

1 数值模型及求解方法

1.1 物理模型

数值研究中吸附床的物理模型如图1所示。在吸附床内均匀装填各向同性的球形LiX沸石分子筛，直径为0.16 cm。模型吸附床直径8 cm，长度50 cm，其中进气口和出气口直径均为0.8 cm，端部空间的高度分别为hi=1.6 cm，ho=1.4 cm。分离过程由4个基本阶段构成,分别是：升压、吸附、降压和反吹。

1.2 数学模型

(1)气体组分吸附过程的传质速率模型

气体吸附过程的传质速率采用线性驱动力模型(LDF model)计算，其方程如下：

(1)

式中：qi为固相气体浓度，mol/kg；q*为气体平衡吸附量，mol/kg；ki为质量传质系数。

(2)吸附平衡模型

气体组分的吸附平衡模型利用多组分的朗格缪尔方程计算，其方程如下：

(2)

(3)

图1 物理模型

式中：pi为气体组分分压力，kPa；T为温度，K；bk、q*为朗格缪尔常数。

(3)气体组分守恒方程

(4)

(5)

(4)总质量守恒方程

(6)

(5)动量守恒方程

气体在多孔介质颗粒上的吸附过程，还会引起动量的损失，所以在方程中考虑了由于吸附引起的附加动量变化。

(7)

(8)

式中：F为动量源项；μ为气体粘性系数，N·s/m2。

(6)能量守恒方程

(9)

(10)

式中：ΔHi为气体的吸附热，J/mol。

(7)气体混合物的状态方程

(11)

式中：Mw为气体摩尔分子质量，g/mol；T为温度，K；R为气体常数。

(8)多孔介质床层内径向空隙率

颗粒在床层壁面附近引起的空隙率变化，采用Nield提出的固定床内径向孔隙率公式描述：

ε=0.4[1+1.4exp (-5y/dp)]

(12)

式中：y为距离壁面长度，m。

1.3 初始条件和边界条件假定

模拟过程采用的初始条件如表1所示，初始压力为1个大气压(101 325 Pa)，初始温度为288 K。数值研究了执行斯卡斯道穆循环的双床系统，其循环过程和边界条件如表2所示。两个吸附床分别经历着升压、吸附、降压和反吹四个步骤。

表1 初始条件

1.4 计算方法

本文利用流体力学Fluent软件针对前述的模型和边解条件进行求解。为了提高计算精度和速度，对模型采用正交网格划分，且对壁面附近网格进行加密，按文献[8]给出的方法对以上方程进行求解。

2 结果讨论

2.1 吸附床内温度的演变及其分布规律

2.1.1 床内循环次数对温度的影响

图2为循环达到稳定状态时吸附床轴线中点处的温度变化曲线。从图中可以看出，随着循环的进行，床内最高温度略微下降，经过约6个循环后，床内温度波动基本稳定，吸附床达到循环稳定态。

表2 循环过程和边界条件

图4 吸附结束步骤相关参数分布云图

图2 吸附床中点处温度随循环次数的变化

图3给出了达到循环稳定态时吸附床轴向中点处p0点在一个吸附循环周期内的压力、温度及N2浓度随时间的变化关系。从图可以看出，达到循环稳定时，床层内温度变化大约为10 ℃，其中的温度变化主要发生在升压和降压阶段，温度的变化趋势类似于Teague和Edgar[9]及Jee[10]等的实验值，但是要略大于他们的变化，这可能是由于LiX吸附剂具有较高吸附热引起的。从图3还可以看出，温度与压力有着基本相同的变化趋势，这因为吸附量主要受压力变化的影响，因此随着压力的变化和吸附传质区的位置变化，吸附床内的温度也相应做类似的变化。

图3 一个周期内中点处温度和压力的变化关系

2.1.2 吸附终了时刻温度分布云图

图4给出了吸附循环过程结束时，吸附床的温度、氮气吸附量和氧气吸附量各参数的分布云图。从图中可以看出，温度的分布非常类似氮气吸附量的分布，这是因为氮气的吸附量远远大于氧气的吸附量，所以吸附热主要是由于氮气的吸附引起的。不均匀的温度分布主要在传质区和进出口区域，传质区域温度分布不均主要是近壁孔隙率变化导致气体偏流引起的；吸附床入口处较低的温度区则是由“入口效应”引起的，即此处较高的气流速度引起了气-固间较大的对流换热。

2.2 影响吸附床内温度分布的因素分析

2.2.1 壁面换热对温度及浓度的影响

图5 壁面换热对温度和浓度分布的影响

2.2.2 反吹比对温度的影响

图6给出了反吹阶段结束时刻不同反吹比情况下床内轴向温度分布情况。由图可见，气体反吹量的增加使得温度波峰面向进气端推进，但是形状基本保持不变。在反吹比从0.3变为0.5的情况下，温度下降了约2 ℃左右。反吹比对温度的影响明显，温度随着反吹比的增加而下降愈大。

图6 循环稳定时模型预测的不同反吹比后轴向温度分布

3 结论

(1)采用二维数学模型分析了吸附床内的温度分布规律，模型中考虑了吸附引起的变质量流动，另外对径向空隙率分布也予以考虑，数值结果直观地显示了吸附床内的温度场及其分布规律，并分析了吸附床内浓度演变过程；

(2)模拟结果显示，吸附分离过程达到循环稳定时，吸附床内温度波动约为10 ℃，温度升降变化规律与压力变化规律基本一致，并且温度变化主要发生于升压和降压过程；

(3)由于氮气的吸附量远远大于氧气的吸附量，所以吸附热主要是由氮气的吸附引起的，因此温度的分布云图类似氮气吸附量的分布；

(4)因为吸附剂床层的热扩散率非常小，本研究中壁面换热对床内温度和浓度分布的影响较小，所以在吸附床直径较大的情况下，可以近似当作绝热床处理；

(5)反吹比也对床层的温度分布有着很大的影响，反吹比的增加会使得床层平均温度下降，反吹比越大，温度下降越大。

[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

鲍化坤(1966—)，男，山东烟台人，主任工程师，高级工程师，主要从事余热回收发电、氧气站、空压机站等热能动力工程及垃圾焚烧发电方面设计工作。

2014-07-21

TQ028.1

B

1672-6103(2015)01-0044-05