Моделирование разделения бинарных газовых смесей методом адсорбции с колеблющимся давлением тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.17.08, доктор технических наук Акулов, Аркадий Клавдиевич

• Акулов, Аркадий Клавдиевич
• доктор технических наук
• 1996

Оглавление диссертации доктор технических наук Акулов, Аркадий Клавдиевич

ОБОЗНАЧЕНИЯ.б

Глава I. ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ.

1.1 Разделение воздуха методом адсорбции с колеблющимся давлением (PSA).

1.2 Моделирование работы установок, работающих по методу PSA.

1.3 Постановка задачи исследования.

Глава И. ДИНАМИКА АДСОРБЦИИ БИНАРНОЙ СМЕСИ ГАЗОВ НА ОСНОВЕ РАВНОВЕСНОЙ ИЗОТЕРМИЧЕСКОЙ ИДЕАЛЬНОЙ МОДЕЛИ.

2.1. Основные понятия и уравнения динамики адсорбции бинарной смеси.

2.2 Динамика адсорбции при постоянном давлении смеси.

2.2.1 Процесс при линейных изотермах адсорбции компонентов.

2.2.2. Процесс при нелинейной изотерме адсорбции смеси.

2.2.3. Динамика адсорбции в случае обрывного фронта.

2.2.4. Динамика адсорбции в случае размывающегося фронта.

2.2.6. Примеры расчетов.

2.3. Динамика адсорбции при переменном давлении смеси.

2.3.1. Линейные изотермы адсорбции компонентов.

2.3.2. Особенности динамики процесса при переменном давлении.

2.3.3. Расчеты интегральных характеристик.

2.3.4. Динамика адсорбции для нелинейной изотермы адсорбции смеси.

2.3.5. Примеры расчетов.

Глава III. ОСНОВЫ ОРГАНИЗАЦИИ ПРОЦЕССА АДСОРБЦИОННОГО РАЗДЕЛЕНИЯ БИНАРНОЙ СМЕСИ ГАЗОВ.

3.1. Основные обозначения.

3.2. Схемы разделения с глубоким вакуумированием слоя адсорбента.

3.2.1. Получение чистого менее сорбируемого компонента.

3.2.2. Получение газа, обогащенного МСК.

3.2.3. Схема с комбинированным способом повышения давления.

3.2.4. Схема полного разделения.

3.2.5. Схемы получения БСК.

3.2.6. Примеры расчетов.

3.3. Двухуровневые схемы процесса разделения бинарной смеси газов.

3.3.1. Основная схема получения газа, обогащенного МСК.

3.3.2. Закономерности процесса разделения, осуществляемого по основной схеме.

3.3.3. Схема без обратной продувки.

3.3.4. Схема с выравниванием давления.

3.3.5. Схема полного разделения

3.3.6. Сравнительный анализ схем.

Глава IV. МАТЕМАТИЧЕСКИЕ МОДЕЛИ ДИНАМИКИ АДСОРБЦИИ БИНАРНОЙ СМЕСИ ГАЗОВ В ПРОЦЕССАХ С КОЛЕБЛЮЩИМСЯ ДАВЛЕНИЕМ.

4.1 Кинетика массопереноса при адсорбционном разделении бинарной смеси газов.

4.2 Динамика изотермической адсорбции бинарной смеси газов.

4.2.1 Уравнения материального баланса смеси вдоль слоя адсорбента.

4.2.2 Система уравнений динамики адсорбции при внутридиф-фузионной кинетике.

4.2.3 Некоторые аналитические решения системы уравнений динамика адсорбции при постоянном давлении смеси.

4.2.4 Псевдоравновесная динамика адсорбции при переменном давлении смеси.

4.3 Учет неизотермических факторов при моделировании динамики адсорбции бинарной смеси газов.

4.3.1 Неизотермические эффекты при изменении давления над адсорбентом индивидуального адсорбирующегося газа.

4.3.2 Равновесная неизотермическая модель динамики адсорбции бинарной смеси газов.

4.4 Математическое моделирование работы адсорбционных установок разделения газовых смесей.

4.4.1 Иерархия математических моделей адсорбционных установок.

4.4.2 Уравнение динамики давления смеси в адсорбере.

Глава V. АЛГОРИТМЫ И ПРОГРАММА ДЛЯ РАЗРАБОТКИ АДСОРБЦИОННЫХ СИСТЕМ С КОЛЕБЛЮЩИМСЯ ДАВЛЕНИЕМ НА ПЕРСОНАЛЬНЫХ КОМПЬЮТЕРАХ.

5.1 Постановка задачи.

5.2 Формализация технологической схемы.

5.2.1 Объекты.

5.2.2 Связи.

5.2.3 Цикл и стадии.

5.2.5 Расчетная схема.

5.3 Алгоритм расчета технологической схемы.

5.4 Алгоритмы решения математических моделей объектов типа адсорбер.

5.4.1 Равновесная изотермическая модель.

5.4.2 Равновесная неизотермическая модель.

5.4.3 Неравновесная изотермическая модель.

5.5. О расчете потоков в связях.

5.6 Структура программы "Разработка системы PSA".

Глава VI. ИДЕНТИФИКАЦИЯ МАТЕМАТИЧЕСКИХ МОДЕЛЕЙ ПРИМЕНИТЕЛЬНО К ПРОЦЕССУ ВЫДЕЛЕНИЯ КИСЛОРО ДА ИЗ ВОЗДУХА НА ЦЕОЛИТАХ.

6.1 Обоснование некоторых допущений» использованных при выводе уравнений математических моделей. в. 1.1 О перепаде давления по длине зернистого слоя.

6.1.2 О внутригидравлическом сопротивлении гранул.

6.2 Выбор термического уравнения адсорбции смеси азота и кислорода.

6.3 Метод определения кинетических констант из опыта по фронтальной динамике вытеснения кислорода азотом.

6.4 Некоторые упрощения математической модели адсорбера для расчетов генераторов кислорода.

6.4.1 Линеаризация нелинейной модели.

6.4.2 Равновесная модель с пересчетом числа ячеек.

6.5 Обработка опытных данных экспериментов по получению кислорода в адсорбционных генераторах.

6.6.1 Изучение свойств гранулированного цеолита NaX.

6.6.2 Лабораторная установка получения кислорода.

6.6.3 Эксперимент на опытном образце промышленного генератора кислорода типа Provita-4.

Глава VII. ЗАКОНОМЕРНОСТИ ПРОТЕКАНИЯ ПРОЦЕССА РАЗДЕЛЕНИЯ ВОЗДУХА В АДСОРБЦИОННЫХ ГЕНЕРАТОРАХ КИСЛОРОДА.

7.1 Генератор кислорода и его характеристики.

7.2 Влияние основных технологических параметров на характеристики процесса.

7.3 О выборе некоторых конструктивных параметров.

7.4 Влияние давления и температуры воздуха на характеристики процесса его разделения.

7.6 Неизотермические эффекты в генераторах кислорода.

Выводы.

Заключение диссертации по теме «Процессы и аппараты химической технологии», Акулов, Аркадий Клавдиевич

ВЫВОДЫ

1. На основе равновесной изотермической идеальной модели динамики адсорбции разработана теория процесса разделения бинарной смеси гавов методом PSA, позволяющая проводить первоначальный сравнительный анализ схем по интегральным характеристикам, Найдено, что наиболее эффективны схемы, сочетающие глубокое вакуумирование слоя цеолита с повышенным давлением верхнего уровня. Наилучшей среди них по удельной производительности и степени извлечения является схема полного разделения. Так как теоретические значения интегральных характеристик являются предельно достижимыми, то они могут быть использованы для определения степени совершенства действующих установок.

2. Разработанная теория внутридиффувионной кинетики позволила ввести понятие барометрического потока, пропорционального скорости изменения давления, и предсказать эффект "запирания" МСК в гранулах адсорбента при повышении давления. Наличие барометрического потока приводит к ухудшению кинетики массообмена и в конечном итоге интегральных характеристик процесса разделения смеси в целом и должно учитываться при проектировании новых систем разделения. Выведенное приближенное уравнение внутридиффузионной кинетики использовано при построении общей модели динамики адсорбции.

3. На основе полученных уравнений внутридиффузионной кинетики и уравнений материального и теплового баланса предложены физически обоснованные математические модели динамики адсорбции бинарной газовой смеси. Для задачи вытеснения менее сорбируемого компонента более сорбируемым получены аналитические решения при действии различных факторов размытия адсорбционного фронта, использованные при обработке экспериментальных данных. Показано, что в процессах разделения скорость повышения давления должна быть лимитирована, в то же время на скорость понижения давления ограничения не накладываются. Доказано, что существенные перепады температур, наблюдаемые на практике при изменении давления над цеолитом, вызваны в первую очередь выделением или поглощением теплоты сорбции.

4. Предложенное уравнение динамики давления, зависящее от типа модели динамики адсорбции, позволило построить общую математическую модель отдельного адсорбера и определять с ее помощью временную зависимость общего давления смеси параллельно с расчетом концентрационных, скоростных и температурных полей в слое адсорбента. б. На основе предложенного алгоритма расчета технологических схем совдана программа для разработки на персональных компьютерах систем разделения бинарных газовых смесей методом PSA. Программа включает такие возможности как поверочные расчеты технологических схем произвольной сложности, поиск констант математических моделей из экспериментальных данных, оптимизационные и проектировочные расчеты промышленных установок.

6. Предложенный метод учета внутридиффузионной кинетики в равновесной модели динамики адсорбции бинарной смеси позволил увеличить скорость расчетов на порядок. Метод прошел проверку на системе азот - кислород - цеолит NaX применительно к процессу получения кислорода и показал высокую эффективность. С его помощью обработаны экспериментальные данные, полученные на лабораторном макете и на опытном образце промышленного адсорбционного генератора кислорода, и найдены значения кинетических констант. Сопоставление расчетов и экспериментов подтвердило адекватность предложенных моделей.

7. Изучены основные закономерности процесса разделения воздуха в адсорбционном генераторе кислорода, работающем на цеолитах. Доказано, что использование генератора имеет смысл лишь при концентрациях, не превышающих #93%. Проанализировано влияние основных технологических параметров на характеристики генератора. Показано, что нестационарный период его работы состоит из двух этапов. На первом устанавливается стационарно-циклическое состояние по концентрациям компонентов, а на втором более длительном этапе - по температурным полям. Наблюдающееся на практике охлаждение лобовых слоев цеолита связано с проявлением эффекта Джоуля-Томсона.

8. Разработаны технологические схемы, проведено оптимальное проектирование и разработана конструкторская документация нескольких моделей адсорбционного генератора кислорода, предназначенного для тепловой обработки металла. Налажено опытное производство генераторов фирмой Провита на базе Невского и Кировского заводов. Начато серийное производство на Бежецком заводе автоспецоборудования.

Список литературы диссертационного исследования доктор технических наук Акулов, Аркадий Клавдиевич, 1996 год

1. Greek B.F. "Rising demand for industriaal gases paves way for price increases", Chem. and Eng. News, 1991, v.69, N48, p. 13-14.

2. Skarstrom Ch.W., Pat. USA N2944627,1960.

3. Воротынцев В.Б., Меделяев И,А., Петухов С.С., Четверик О.В. "Адсорбционные методы разделения воздуха", М.: ЦИНТИХИМНЕФ-ТЕМАШ, 1981, 30с.

4. Shelly S. "Out of thin air", Chem.Eng.(USA), 1991, v.98, N6, pp.30-31, 33, 35, 37-39.

5. Smolarek J., Campbell M.J. "Advanced PSA oxygen production", Gas Separ. Technol.: Proc.Int.Symp., Antwerp.,Sept. 10-15, 1989,.- Amsterdam etc., 1990, p.281-287.

6. Smolarec J. Pat. USA N5042994,1991.

7. Wbiling R. "New fernz oxygen plant running at Kinlieth", Chem.N.Z., 1991, v.55, N2, p.22.

8. Ямагути Тосио, Petorotekku=Prtrotech., 1992, v. 15, N6, p,579-581. ян.10. "Linde starts VPSA oxygen plant at nucor", Iron and Steel Eng., 1992, v,69, N7, p.67-68.

9. Hadenburger T. "Producing nytrogen at the point of use", Chem.Eng.(USA), 1992, v.99, N10, pp.137-140, 142,144,146.

10. Lasday S.B. "Advanced production systems efficiently supplying oxygen and nytrogen in current uses", Ind.Heat., 1989, v.56, N12, p.22-26.

11. Leavitt F., Smolarek J., Lagree D. Pat. USA N5163978, 1992.

12. Шумяцкий Ю.И. 'Типы и принципы организации безнагрев-ных адсорбционных процессов очистки и разделения газовых смесей", Химическая промышленность, 1989, N8, с. 682-586,

13. Устинов Б.А. "Моделирование циклических адсорбционных процессов разделения газов", ЖПХ, 1980, т. 53, N1, с. 136-141.

14. Устинов Е.А. "Закономерности динамики циклических адсорбционных процессов разделения бинарных газовых смесей", ЖПХ, 1980, т. 53, N9, с. 2015-2021.

15. Chan Y.N., Hill F.B., Wong Y.W. "Equilibrium theory of pressure swing adsorption process", Chem.Eng.Sci., 1981, v.36, p.243.

16. Knaebel K.S., Hill F.B, "Pressure swing adsorption: development of an equilibrium theory for gas separation", Chem.Eng.Sci., 1985, v.40, N12, p.2351-2360.

17. Kauser J.C., Knaebel K.S. "Pressure swing adsorption: Experimental Study of equilibrium theory", Chem.Eng.Sci., 1986, v.41, N11, p. 2931-2938.

18. Kauser J.C., Knaebel K.S. "Pressure swing adsorption: development of an equilibrium theory for binary gas mixtures with nonlinear isotherms", Chem.Eng.Sci., 1989, v.44, N1, p.l,

19. Lu X., Madey R., Rothstein D., Jaroniec M., Huang J.C. "Pressure swing adsorption for a system with a Freundlich isotherm", Separation science and technology, 1987, v.22, N6, pp. 1547-1556.

20. Lu X,, Madey R., Rothstein D., Jaroniec M,, Huang J.C. "Pressure swing adsorption for a system with a Langmuir-Freundlich isotherm", Chem.Eng.Sci., 1990, v.45, N.4, pp.1097-1103.

21. Kumar R. "Adsorption column for bulk binary gas mixtures", Ind. and Eng. Chem. Res. 1989, v.28, N,11, pp. 1687-1683,

22. Sandaram N., Wankat P.C., "Pressure drop effects in the pressurisation and blowdown steps of pressure swing adsorption", Chem.Eng.Sci,, 1988, v.43, N.l, p.123.

23. Yang R.T., Doong S.J., Cen P.L. "Bulk gas separation of binary and ternary mixtures by pressure swing adsorption", AIChE Symp. Ser., 1985, v.81, N.242, pp.84-94.

24. Bruggendick H., Richter E., Knoblauch K., Juntgen H., "Modelling of adsorption cycling operation of a PSA plant for H2 recovery", Chem. and Eng. Technol., 1987, v. 10, N.6, pp.390-398.

25. Nakao S., Suzuki M. "Rate of sdsorption and desorption in cycle adsorption processes", 3 pasif. Chem. Eng. Congr., Seoul, May 811, 1983, proc. vol. 1, Seoul s.a., 186-191.

26. Farooq S., Ruthven D.M., Boniface N.A. "Numerical simulation of a PSA oxigen unit", Chem.Eng.Sci., 1989, v.44, N.12, p.2809-2816.

27. Farooq S., Ruthven D.M. "Contituous countercurrent flow model for a bulk PSA separation process", AIChE Journal, 1990, v.36, N.2, p.310-314.

28. Hassan M.M., Raghavan N.S., Ruthven D.M. "Numerical simulation of a PSA air separation system. A comparative study of finite difference and collocation methods", Can. J. of Chem. Eng., 1987, v.65, N.3, pp.512-516.

29. Cen P., Yang R. "Bulk gas separation by PSA", Ind. and Eng. Chem. Fundam., 1986, v.25, N.4, pp.758-767.

30. L.K.Filippov, 'Theoretical basis of separation processes and adsorption of multicomponent mixtures", Chem.Eng.Sci., 1989, v.44, N.3, pp.575-582.

31. Hassan M.M., Raghavan N.S., Ruthven D.M. "Numerical simulation of a PSA system using a pore diffusion model", Chem.Eng.Sci., 1986, v.41, N.ll, pp,2787-2793.

32. Doong S.J.,Yang R.T. "Bidisperse pore diffusion model for zeolite pressure swing adsorption", AIChE Journal, 1987, v.33, N.6, pp. 1045-1049.

33. Matz M.J., Knaebel K.S. "Pressure swing adsorption: Effects of incomplete purge", AIChE Journal, 1988, v.34, N.9, p. 1486.

34. Kauser J.С,, Knaebel K.S., "Integrated steps of pressure swing adsorption cycles", Chem.Eng.Sci., 1988, v. 43, pp.3016-3022.

35. Kapoor A., Yang R.T. "Optimization of pressure swing adsorption cycle", Ind. and Eng. Chem. Res., 1988, v.27, N.l, pp.204206.

36. Акулов А.К., Устинов E.A. "Динамика циклического адсорбционного процесса разделения бинарной смеси газов", ЖПХ, 1986, т. 69, N6, с.1609-1611.

37. Акулов А. К. "Сравнительный анализ схем циклического адсорбционного процесса разделения бинарной смеси газов", ЖПХ, 1988, т.61, N3, с.540-545.

38. Акулов А.К., Устинов Е.А. "Кинетика массопереноса при адсорбционном разделении газовых смесей", ЖПХ, 1985, т. 58, N7, с. 1517-1522.

39. Акулов А.К., Устинов Е,А. "Кинетика адсорбционного разделения бинарной смеси газов", ЖФХ, 1986, т.60, N1, с, 223-225.

40. Леонтьева Е.Ю., Серегин Ю.А., Шумяцкий Ю.И., Андреев Ю.К. "Равновесная емкость цеолитов по макрокомпонентам воздуха и их эффктивность в процессе его разделения", Моск. хим.-технол. ин-т, М., 1990, 6с., Деп. в ВИНИТИ, 13.06.90, N3391-B90.

41. Леонтьева Е.Ю., Серегин Ю.А., Шумяцкий Ю.И., Андреев Ю.К. "Сравнительная характеристика цеолитов, предназначенных для адсорбционного разделения воздуха", Моск. хим.-технол, ин-т, М., 1990, 6с., Деп. в ВИНИТИ, 13.07.90, N3924-B90.

42. Аэров М.Э., Тодес О.М., Наринский Д.А. "Аппараты со стационарным зернистым слоем", Л.: Химия, 1979. 176с.

43. Кельцев Н.В. "Основы адсорбционной техники", М.: Химия, 1984. 592с.46. "Краткий справочник физико-химических величин", Л.: Химия, 1967. 184с.

44. Беринг Б.П., Серпинский В.В.» ЖФХ, 1952, т.26, N.2, с, 253269.

45. Тимофеев Д.П. "Кинетика адсорбции", М.: Изд-во АН СССР, 1962. 252с.

46. Гелбин Д. "Экспериментальное и теоретическое изучение динамики адсорбции углеводородов формованными цеолитами". В кн.: "Адсорбция в микропорах", М.: Наука, 1983, с.156-162.зоз1. АКЦИОНЕРНОЕ ОБЩЕСТВО :1. ОТКРЫТОГО ТИПА

47. БЕЖЕЦКИЙ ЗАВОД «АВТОСПЕЦОБОРУДОВАНИЕ»ill1171950, г. Бежецк, Тверской обл., ул. Красная J Слобода, 1; тел.: коммутатор — 25, директор — 2-06-51. Расчетный счет № 467042 Россельхозбанк г. Бежецк, МФО 131043№1. На №1. АКТ

48. Настоящим актом удостоверяю, что Акуловым Аркадием Клавдиевичем разработана и передана нашему предприятию конструкторская документация на генератор кислорода адсорбционного типа с производительностью 40 л/мин для организации серийного производства.

49. С I апреля 1996 года нашим предприятием осуществляется серийное производство генераторов кислорода мощностью 50 установок в год.1. Н.Владимировзо4научно-коммерческая инновационная фирма1. ПРОБИТА1. АКТ1. Санкт-Петербург26 марта 1996 года

50. Настоящим актом подтверждаю, что с января 1993 года Акуловым Аркадием Клавдиевичем последовательно разработаны шесть моделей генераторов кислорода адсорбционного типа.

51. Тип модели Кол-во генераторов в партии Пр о и вводи т ельност ь по кислороду Степень извлечения кислорода (92%) Весшт л/ мин мЗ/ч % кг1. Провита-1 1 16 0.9 4 801. Провита-2 3 26 1.6 4 120

52. Провита-3 7 36 2.1 4.7 1601. Провита-4 7 40 2.4 6 160

53. Провита-б 5 40 2.4 б.б 170

54. Провита-6 3 70 4.2 до 6.6 270

55. Модель Провита-6 по основным характеристикам превосходит генератор кислорода OMZ-300, выпускаемый немецкой фирмой KONIG.

56. Все образцы переданы заказчикам и эксплуатируются.1. Нфмо-Гюцмрмаш'1 ИНИОМфЮННвЯ1. ЯРМАjtmtk"•^♦«Т-Ввт»^'л*

57. А. Н.Некрасов, зам. генерального директора по производству