变压吸附制氢均压过程分析

殷文华，卜令兵，伍 毅，张 杰

(四川天一科技股份有限公司 变压吸附分离工程研究所，成都 610225)



·工艺与设备·

变压吸附制氢均压过程分析

殷文华，卜令兵，伍 毅，张 杰

(四川天一科技股份有限公司 变压吸附分离工程研究所，成都 610225)

建立了变压吸附制氢均压过程的一维瞬态模型，对均压过程系统的压力和速度进行了计算分析。计算结果显示，系统的压力降呈非对称分布，低压侧的压力降大于高压侧的压力降，部分均压步骤中均压阀的压力降占到系统压力降的40%；均压时低压侧的速度大于高压侧的速度，且均压靠后步骤速度大于均压靠前步骤的速度。

变压吸附；均压过程；数值模拟；流体力学

0 引 言

变压吸附制氢作为氢气提纯与净化的一种重要手段，以其能耗低、投资省、操作方便灵活的特点，近年来得到快速发展，已经投入运行的变压吸附制氢装置最大规模已经达到280 000 Nm3/h，装置的运行压力达到4.5 MPa。随着变压吸附制氢装置的大型化和高压化，如何保证装置的长期、安全、稳定、高效运行成为变压吸附科研人员的研究课题，四川天一科技股份有限公司投入大量资金和人力针对影响大型装置和高压装置的运行因素开展了系统的研究[1-4]。本文研究变压吸附制氢均压过程的压力和速度变化，为深入理解、研究和优化变压吸附制氢过程提供理论基础。

1 数学模型

1.1 均压过程

变压吸附均压步骤是完成高压吸附过程和低压再生过程之间的压力转换步骤，需要降压解吸的吸附床压力逐级下降，而需要升压的吸附床压力得到逐级升高，从而使吸附床降压排出的有用气体得到有效利用[5]。均压步骤的主要作用是回收吸附床降压过程排出的有用气体和压力能。

均压过程属于瞬态过程，对该过程的研究可以从均压对产品纯度和收率的影响,均压压力遵从的数学规律[6]，以及均压过程压力和速度的变化规律等多个方面进行深入研究，本文采用一维瞬态流体力学对均压过程的压力变化和速度变化进行模拟研究。

1.2 管内一维瞬态流动模型

管路系统中的非恒定流动是由于组成系统的某一元件的工作状态变更或受外界干扰引起的，对管路系统瞬态特性进行分析，主要是对在不同激励条件和不同管道边界条件下管道的瞬态响应进行的仿真计算，求得系统的动态特性。

管内一维非恒定流动可以用波动方程描述[7]：

(1)

(2)

其中，p为压力，Q为流量，ρ为流体密度，A为管道截面积，f(Q)为与流量Q有关的摩擦阻力项，a为压力波的传播速度，其计算公式为：

式中，Ke为流体的弹性模量，D为管道外直径，b为管壁厚度，E为管材的弹性模量，μ为管材的波桑比。因为在一般的流体管道中，压力波的传播速度远大于流速，因此，波动方程可以简化为：

(3)

(4)

特征线法是偏微分方程的一种数值解法，它将偏微分方程变换成特殊的全微分方程，然后对全微分方程积分，得到便于数值处理的有限差分方程，特征线法可非常方便使用计算机进行快速运算。波动方程按特征线解法变换最后得到波动方程变换后的四个常微分方程为：

(5)

(6)

1.3 均压过程物理模型

根据工业变压吸附装置建立了如图1所示的变压吸附均压过程模拟的物理模型。变压吸附系统的均压过程是由两个吸附塔和阀门、管道、弯头、三通等元件组成一个封闭的系统，在本文建立的物理模型中，局部阻力如：三通、弯头、闸阀等都以等效的直管段阻力代替，以某50 000Nm3/h的变压吸附制氢工业装置为模型进行模拟计算。

图1 变压吸附制氢均压模型

2 计算结果分析

2.1 压力

图1中，在均压的两吸附塔出口和均压阀门进出口共设6个压力点，这样整个均压系统分成五段，与两个吸附塔相连的管道为主管道，均压阀门之间的管道为均压管道，对于同一套制氢装置，每个均压步骤对应相同的主管道和不同的均压管道。在计算均压时每段管道的压力降所占比例时，与均压降和均压升吸附塔相连的主管道分别记为管件A和管件E，高压侧均压阀记为管件B，低压侧均压阀记为管件D，均压管道记为管件C。图2为均压开始时各压力点的压力图，图3为均压开始时各管件的压力降比例。

图2 压力分布图

图3 各管件压力降比例图

由图2和图3可以看出，在均压过程中，整个系统的压力降分布很不平衡，其中与高压吸附塔相连的主管路的压力降最小，均压管道的压力降最大，且整个系统非对称分布，高压侧的管路阻力小，低压侧的管路阻力大。

在均压过程中，均压阀门的阻力降占较大的比例，对于一均和三均步骤，均压阀门的阻力降为整个系统阻力降的40%，并且低压侧均压阀的压力降比低压侧均压阀的压力降大，对于部分步骤，低压侧均压阀的压力降达到高压侧均压阀压力降的1.5倍。均压阀门的高压力降使得其在均压过程中受到很大的冲击，因此提高阀门的耐冲刷性能，有利于变压吸附制氢装置的稳定运行。

2.2 速度分布

在均压过程中设置4个速度点，其中高低压吸附塔的出口分别记为位置1和6，高低压均压阀的出口位置分别记为位置3和位置5。在均压开始时各位置的速度如图4所示。

图4 各位置速度图

由图4可以看出，在低压侧均压阀门以前，管路系统的速度逐渐增加，且在低压侧均压阀处相差最大，均压步骤越靠后，其低压侧均压阀处的速度越大，且在低压侧吸附塔入口处的速度也越大。在图4中位置6的速度比位置5的速度低主要是因为在

均压系统中，与吸附塔相连的主管道直径大于均压管道直径；在均压时，系统的压力逐步降低，气体的膨胀使得气体流速从位置1到位置5逐步增加，且最后一步均压由于两塔的压力比大，速度的变化更为明显。

3 小 结

通过模拟计算变压吸附制氢均压过程中压力和速度，进一步了解压力和速度的变化规律及分布规律，为更好指导变压吸附装置的设计、研究和解决变压吸附制氢装置运行过程存在的问题提供理论基础。

[1] 卜令兵,郜豫川,张剑锋，等.变压吸附数值模拟的研究[J].煤化工,2009,37(4):30-32.

[2] 卜令兵,张剑锋,杨云，等.变压吸附气体分布器研究开发[C]//2009年氢气安全生产技术交流研讨会论文集.苏州:中国种业气体工业协会氢气专业委员会,2009.

[3] 卜令兵,郜豫川,李克兵,等.气体分布器流场PIV测量[J].天然气化工,2012,37(2):45-47.

[4] 卜令兵,殷文华,曾凡华,等.变压吸附制氢装置噪声分析与控制技术研究[J],低温与特气,2012,30(3):25-27.

[5] 汤洪.变压吸附装置中均压设计的讨论[J].化工设计,2003(13):15-18.

[6] 卜令兵,殷文华,等.变压吸附均压过程压力数据拟合研究[J],低温与特气,2012,30(5):18-21.

[7] 蔡亦钢.流体传输管道动力学[M].杭州:浙江大学出版社,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

殷文华(1975)，男，高级工程师，1998年毕业于天津大学，工学学士。就职于四川天一科技股份有限公司，主要从事变压吸附气体分离技术的开发和工业化应用研究。电邮：Yinwh_psa@163.com。