颗粒直径对变压吸附空分制氧的影响研究

赵俊霞 李伟杰 李文龙(郑州大学化工与能源学院，河南 郑州 450001)

颗粒直径对变压吸附空分制氧的影响研究

赵俊霞 李伟杰 李文龙(郑州大学化工与能源学院，河南 郑州 450001)

为了深入研究变压吸附空分制氧的传质过程，根据工厂实际应用的吸附塔建立二维物理模型，利用FLUENT软件并采用用户自定义函数功能对两床Skarstrom循环过程进行了模拟研究。将模拟值与文献值作了对比，结果吻合良好。分析了颗粒直径对床层吸附过程的影响，结果表明：相同条件下，较小颗粒直径能够提高氧气分离浓度。

变压吸附；FLUENT；Skarstrom循环；颗粒直径

变压吸附技术由于具有能耗低、工艺流程简单、操作费用小等优点[1]，广泛用于气体的分离和回收领域，其中数值模拟是深入研究吸附过程的一种重要方法。由于变压吸附循环是一个涉及传质、传热和能量传递的工艺过程，FLUENT自带的多孔介质模型不足以表现其内在机理，需要利用用户自定义函数功能使其成为能体现气固两相传质过程的模型。

针对变压吸附空分制氧的数值模拟，学者们做了诸多研究。卜令兵[2]等在流体动力学的基础上对变压吸附系统进行研究。由宏新[3]等建立了变压吸附两相流FLUENT模型并加以验证，与实验结果吻合较好。Zheng X G[4]等采用了二维模型研究变压吸附循环过程，对吸附床内的传递现象进行了初步的探讨。

由于研究颗粒直径对吸附分离性能影响的报道较少，所以本文就利用耦合的FLUENT气固两相多孔介质模型来研究颗粒直径对氧气分离浓度的影响，并分析其中原因。

1 吸附过程的数学模型

1.1 物理模型

Skarstrom两床四步循环过程如图1所示，四步分别为：加压、吸附、降压和反吹。

本文研究的变压吸附制氧循环过程是基于目前工程实际中所使用的变压吸附装置，吸附塔结构如图2所示。包括上、下两个球形封头，上、下两块孔板气体分布器，中间为填料层传质吸附区。

其中，口A、口B直径为250mm，塔径1400mm，填料层高度4700mm，装填的是LiX分子筛，分布器孔径60mm。

1.2 初始及边界条件

研究的是空分制氧，为简化模型，认为气相组成为V(O2)∶V(N2)=21∶79，进气质量流率为2.913kg/s，初始条件如表1所示。

图1 Skarstrom两床四步循环过程

图2 吸附塔结构

表1 初始条件

边界条件如表2所示。

表2 边界条件

2 结果与分析

2.1 模拟值与文献对比

将各个循环所得出口氧气摩尔分数与文献[4]进行对比，如图3所示。由图可知，随着循环过程的进行，氧气摩尔分数逐渐增加，大约经过6个循环，过程达到稳定，氧气浓度在99%左右，与文献比较吻合，证明了模型的正确性。

2.2 颗粒直径对吸附过程的影响

图3 模拟与文献对比

图4 颗粒直径对氧气摩尔分数的影响

研究颗粒直径对吸附分离过程的影响，计算的颗粒直径分别为0.8mm、1.6mm、2.4mm、3.2mm和4.0mm，图4为不同颗粒直径下第一次循环1床吸附结束后的氧气摩尔分数对比图。结果显示：颗粒直径越小，氧气摩尔分数越大。因为小颗粒的比表面积较大，有助于吸附，但同时也会增加吸附时间。

3 结语

相同条件下，采用较小颗粒可以增加氧气摩尔分数，增强分离效果，但同时由于较小颗粒装填更密实，会增大气体压降，这不利于吸附分离，所以需要从多个方面对颗粒直径做出选择。

[1]柳珉敏，徐文东，关建郁.变压吸附技术应用研究进展[J].煤气与热力，2010，30(10)：1-4+40.

[2]卜令兵，李克兵，郜豫川,等.变压吸附流体力学模拟[J].天然气化工，2010,(01)：58-61+78.

[3]由宏新，陈勇，李慧敏.变压吸附两相流FLUENT模型的建立[J].现代化工，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.