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天然气化工
2012年第37卷
变压吸附流体力学模拟
卜令兵,李克兵,郜豫川,般文华,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)
搞要:通过流体力学方法对变压吸附(PSA)系统进行模拟与优化。采用一维瞬态流体力学建立了PSA均压过程的理论模
型,对PSA均压过程进行了模拟研究,得出均压时间随均压管道直径、吸附塔的体积、气体的组分等因素的变化关系,为均压
管道的计算提供理论依据;采用计算流体力学对气体分布器的流场进行了模拟研究,并根据流场的特点开发了新型气体分布
器,且计算结果显示流场分布较好;另外,对程控阀的流道进行了模拟研究,并根据模拟结果对流道进行了优化,结果显示,优
化后的流道克服了原流道的弊端
关键词:变压吸附;PSA;数值模拟;一维流体力学;计算流体力学;气流分布
中图分类号:TQ028
文献标识码:A文章编号:1001-9219(2012)01-58-04
变压吸附(PSA)技术,是一种新型的气体分离优化PSA的设备和管路系统是可行的。近年来,四
与净化技术,它是利用吸附质在吸附剂上的平衡吸川天一科技股份有限公司在PSA设备和管路优化
附容量、吸附速度和吸附力等吸附特性的差异以及方面做了大量的基础研究工作,为研究和设计PSA
吸附量随压力变化而变化的特性,通过周期性的压装置提供了理论依据。本文从流体力学入手研究
力变换实现吸附和解吸过程的交替进行,实现气体了PSA系统的管路系统和关键设备。
的分离或提纯叫,属于物理过程,在常温下即可实
现,同时,PSA气体分离与净化技术具有装置规模1变压吸附管道系统优化
灵活、自动化程度高、能耗低等优点。因此,PSA技
PSA的管道系统优化主要包括均压管道、顺放
术自上世纪60年代第一套工业装置问世以来,得管道以及逆放管道的优化计算,PSA的压力变化过
到了广泛的应用和快速的发展,其应用领域已经从程主要是这三个过程,因此,研究这三个压力变化
最初的气体干燥逐步发展到氢气的提纯,一氧化过程的流体力学规律,对于PSA装置的设计开发和
碳、二氧化碳以及有机气体的浓缩与净化,氮气、氧长期稳定运行具有重要的意义,本文主要介绍均压
气等工业气体的制取四,并成为各种工业尾气治理与过程的流体力学模拟。PSA的均压过程是一个瞬态
综合利用的有效方法。PSA在应用领域不断拓展的过程,因此,采用一维瞬态流体力学进行模拟研究。
同时,其装置规模也在不断的扩大,目前PSA制氢装1.1管内一维瞬态流动模型
置的规模已经达到28x10Nmh,并且,随着化工装
管路系统中的非恒定流动是由于组成系统的
置的大型化,PSA设备的规模还将不断的刷新纪录。某一元件的工作状态变更或受外界干扰引起的,对
PSA的大型化对为其配套的吸附工艺、吸附剂、管路管路系统瞬态特性进行分析,主要是对在不同激励
系统、吸附塔的结构、程控阀门、控制程序、以及动力条件和不同管道边界条件下管道的瞬态响应进行
设备等提出了更高的要求。因此对PSA系统进行深的仿真计算,求得系统的动态特性
入的研究,是PSA技术发展的源动力和技术保障。
管内一维非恒定流动可以用波动方程描述阿
PSA过程作为物理过程,可以将PSA系统看作
Op. p00
Ox A Ox Aot
+f(Q)=0
一个流体系统,将其中涉及到的设备看作流体设
备,因此,从流体力学的角度对PSA系统进行研究,
迎+迎+=0
收稿日期:201-06-23;作者简介:ト令兵(1978-),男,硕士,
从事变压吸附技术的研究及工程开发,电话028-85962142
式中:pー压力Pa;Q-为流量/m?s2;p-流体密度/kg?
电邮blbusth@sina.com。
m3;A-为管道截面积/m2;为与流量有关的摩擦阻力
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第1期
ト令兵等;变压吸附流体力学模拟
项;a-压力波的传播速度/加m?s2,其计算公式为:
局部阻力如:三通、弯头、闻阅、鼠笼等都以等效的
直管段阻力代替,对于不同的PSA系统,只需要更
p
改气体的组分、吸附塔的体积和压力、主管路直径
D Ke
均压管路直径以及阀门的直径等参数。
1.3模拟结果
K。一流体的弹性模量Pa;D-管道外直径/m;b-管壁
对于所建立的物理模型,通过数值计算,可以
厚度m;Eー管材的弹性模量/Pa;μ-管材的波桑比。得到系统在均压过程中任意点在任意时刻的速度
因为在一般的流体管道中,压力波的传播速度远大以及压力状况,以及压力达到平衡所需要的时间。
于流速,因此,波动方程可以简化为:
对于PSA的应用主要关心的是均压时间和吸附塔
cp P aq
f(Q)=0
内的最大流速,以及均压时间和最大流速随PSA装
(3)
Ox A Ot
置特征量的变化关系,从而保证均压能够在设定的
Oppa
时间范围内完成,且吸附床始终保持固定床状态
A
图2~图4给出了均压管道直径对均压时间和
特征线法是偏微分方程的一种数值解法,它将最大流速的影响以及吸附塔体积、气体分子量对均
偏微分方程变换成特殊的全微分方程,然后对全微压时间的影响。
分方程积分,得到便于数值处理的有限差分方程
特征线法可以非常方便地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
→均时可
吸附塔出?最大流速
变换后的四个常微分方程为:
g(の=0
(5
tc化
dt
ao do
化化
g(の=0
(6
1.2变压吸附均压过程物理模型
根据工业PSA装置建立了如图1所示的PSA
径/mm
均压过程模拟的物理模型。PSA系统的均压过程是
图2均压管道直径对均压时间与最大流速的影响
由两个吸附塔(或储罐)和网门、管道、弯头等元件
Fig 2 Influence of pipe diameter on pressure-equalizing
组成一个封闭的系统,在本文建立的物理模型中,
体积/m3
图3吸附塔体积对均压时间的影响
图1变压吸附均压模型
Fig 3 Influence of adsorption column volume on pressure-
SA pressure-equalizing model
equalizing
fime