变压吸附空分制氧体系轴向流吸附床浓度分布研究

　　数值模拟是研究吸附床内传递现象的重要方法。通常的变压吸附数值模型都是一维活塞流模型,忽略了径向的梯度而仅仅考虑轴向的扩散和流动[1]。在描述多组分气体的吸附平衡时常用Lang-muir或者改进的Langmuir方程;在描述从气相到颗粒内的质量传递时,常用的模型是线性驱动力模型[2]或者改进的线性驱动力模型[3],最近有研究者采用含尘气流模型来考虑颗粒内部的四种质量传递过程[4-6];在处理床层的压力分布时采用半经验的Ergun方程[7],而床层的压力随时间的变化则采用经验或者半经验公式描述,如线性变化公式[3]、多段线[8]、二次曲线[9]。一维模型的主要优点是在提供足够信息的同时能够大量节省计算时间。目前,研究者已经采用此类模型研究了空气分离过程[3-6]、VOC脱除[10]、气体的干燥除湿[11]、甲烷的回收等[12]。总体而言,一维模型已经取得了很大的进步并对优化吸附工艺提供了很大帮助。

　　然而,在研究吸附床的结构时,尤其是针对大直径矮床层或者径向流吸附器,往往需要研究同时发生在轴向和径向的传递现象,此时就特别需要二维或者三维模型来研究吸附床内的吸附分离过程。另外,由于通常情况下吸附床内压力随时间的变化是事先不知道的或者难以测量的,那么采用经验公式来计算是具有一定局限性的。基于以上研究中的不足,作者首次采用二维模型研究了变压吸附循环过程[13],并在后续论文中对模型进行了实验验证[14],发现二维模型能够对吸附床内的传递过程给出良好的预测,二维模型的建立及求解为吸附床结构设计和参数优化奠定了基础。本文的目的是在前文研究的基础上深入研究吸附床内的浓度分布,旨在揭示吸附床内部的浓度分布及其变化规律,为吸附床结构优化提供理论指导。

　　1 数学模型及计算方法

　　1.1 物理模型

　　针对变压吸附空分制取较高浓度氧气的过程进行研究,建立如图1所示物理模型。吸附床为圆柱形轴对称结构,吸附床直径80 mm,长度500 mm,其中进气口( in)、出气口(out)直径为8 mm,两个端部死空间高度分别为h1=16 mm, h2=14mm。吸附床内装填各向同性的球形LiX沸石分子筛,直径为116 mm。吸附分离过程由升压、吸附、降压和反吹4个基本阶段构成。由于氧、氩在沸石分子筛上表现出非常接近的吸附特性,为减少模型中方程的个数,认为空气由氧、氮两种气体构成(氧/氮= 21/79)。

　　1.2 数学模型

　　吸附过程的传质推动力模型氧氮分子在沸石分子筛颗粒内的传质属于大孔扩散控制过程,传质阻力主要来自气体在颗粒大孔内的扩散阻力,其传质速率可由线性驱动力模型(LDFmodel)表示: