（化学工程专业论文）变压吸附动态过程流程图模拟.pdf

摘要摘要变压吸附( p s a ，p r e s s u f es w i n ga d s o r p t i o a ) 流程和操作灵活多变。用面向过程编程技术建立的偏微分方程模型算法适应不了这种灵活性和多变性。电路网络模型采用面向对象编程技术，将p s a 系统分解成吸附柱、罐、气压源和管路等对象，通过对象的元件约束和拓扑约束关系建立对象的状态方程。进而运用c + 十的面向对象编程技术，建立异质链表来合成系统网络。实现了p s a 流程的任意连接、修改、自动建立方程和解方程。本文以电路网络模型为核心算法，使用v is u a lc + + 面向对象的编程技术，编制p s a 流程输入界面。v is u a lc + + 是面向对象的高级编程语言，具有移植性强、适应性广的特点。v is u a lc + + 的m f c 集合了大量的类，节约了编程者的大量时间。使用v i s u a lc + + 设计c 0 1 u l l l n 、t a n k 、l in e 、v a l v e 图元对象，由此输入p s a 系统中的吸附柱、罐、压力源和各种管路，同时设计t e x t 图元对象来输入文字。p s a 流程图文件的数据使用序列化来存贮。对图元对象设计了移动、改变大小、复制、粘贴、排列、删除等操作。p s a 系统对象的性质的输入采用对话框的形式。通过菜单，输入算法参数并启动算法，实现了p s a 动态过程的阀调节、操作时间调节、拟合给定的操作性能以及最优化计算等功能，并通过菜单设置p s a 系统内状态函数的动态输出，包括分压、流量、温度等随时间( 给定位置) 和随位置( 给定时问) 的变化关系。本文对单床r p s a 和四床p s a 制富氧过程进行最优化研究。以回收率最大为目标、给定产品平均流量和纯度为约束。序列二次规划算法及通过障碍一增广l a g r a n g e 函数的( 改进) n e w t o n - r a p h s o n 算法都不收敛。用广义乘子法一单纯法，优化单床r p s a 的4 个阀系数和3 个操作时间，得到：产品平均流量o 14 4 m m o l s ，纯度9 0 o ，回收率3 7 3 4 ：优化四床的6 个阀系数和3 个操作时间，使回收率提高了1 0 。两个系统的优化结果都表明，没有一个阻力系数或阀系数是越大越好或越小越好的。关键词：吸附；变压吸附；电路网络；流程图华南理上大学t 学硕士学位论文d y n a m i cs i m u l a t i o no fp r e s s u r es w i n ga d s o r p t i o nw i t hf l o w s h e e t i n ga b s t r a c tap r e s s u r es w i n ga d s o r p t i o n ( p s a ) p r o c e s si sv e r yv a r i a b l ea n df l e x i b l e t h es t e p - b y s t e ps i m u l a t i o nb a s e do nt h ep r o c e d u r e o r i e n t e dp r o g r a m m i n gi sn o ta d e q u a t et oi t sf l e x i b i l i t y t h ee l e c t r i c a ln e t w o r km o d e l ，b a s e do nt h eo b j e c t o r i e n t e dp r o g r a m m i n g ( o o p ) ，d e c o m p o s e sap s as y s t e mi n t of o u ro b j e c t s ：c o l u m n ，t a n k ，p r e ss u r es o u r c ea n dp i p e l i n e s t h es t a t ee q u a t i o n so ft h e s eo b j e c t sm a yb ec o n s t r u c t e dt h r o u g ht h ee l e m e n t a la n dt o p o l o g i c a lc o n s t r a i n s b yo o pt e c h n i q u eo fc + +h e t e r o g e n e o u s n o d e1 i s ts t r u c t u r eisb u i l dt os y n t h e s i z en e t w o r ko ft h ep s as y s t e m ，a n dt h e nt oi m p l e m e n tw i l l i n gc o n n e c t i o n ，m o d i f i c a t i o n ，e q u a t i o na u t o m a t i c a l l ys e t u pa n de q u a t i o na u t o m a t i c a l l ys o l u t i o no ft h es y s t e m b a s e do nt h ee l e c t r i c a ln e t w o r km o d e l ，ag r a p h i c a li n t e r f a c eo fap s ap r o c e s sw a sp r o g r a m m e dw i t ho o pt e c h n i q u eo fv i s u a lc + + al o to fb a s i cc l a s s e si nm i c r o s o f tf o u n d a t i o nc l a s sb e n e f i tf o ru s e r st op r o g r a ms o f t w a r eq u i c k l y f o u ro b j e c tc l a s s e s ，c o l u m n ，t a n k ，l i n ea n dv a l v e ，a r ep r o g r a m m e dt or e p r e s e n tt h ec o r r e s p o n d i n go b j e c t so fap s as y s t e m ，a n das e to fe d i t i n gt o o l s ，i n c l u d i n gc o p y i n g ，d e l e t i n g ，p a s t i n g ，m o v i n ga n da r r a n g i n ga r ed e s i g n e dt om a k et h eo b j e c t si n p u ta n dr e v i s ee a s i l y t h ep r o p e r t i e so fo b j e c t sa r ei n p u tw i t ht h ed i a l o g u et e c h n i q u e v i at h em e n ud e s i g n 。v a l v er e g u l a t i o n ，o p e r a t i n gt i m er e g u l a t i o n ，f i t t i n gf o rg i v e no p e r a t i n gp e r f o r m a n c ea n do p t i m i z a t i o no fap s ad y n a m i cp r o c e s sm a yb ee x e c u t e da c c or d i n gt ot h ed e s i r e da l g o r i t h mp a r a m e t e r s ，a n dt h ed y n a m i cs t a t ef u n c t i o n si n s i d et h es y s t e m ，s u c ha sp a r t i a lp r e ss u r e ，f l o w r a t ea n dt e m p e r a t u r e ，a b o u tt i m e ( a tg i v e nl o c a t i o n ) a n da b o u tl o c a t i o n ( a tg i v e nt i m e ) m a yb eo u t p u ti fn e c e s s a r y t h eo p e r a t i o no fo n e - b e dr p s aa n df o u r - b e dp s af o rp r o d u c i n go x y g e nw a so p t i m i z e d t h eo b j e c t i v ei sm a x i m i z i n gr e c o v e r ys u b je c tt og i v e np r o d u c tf l o w r a t ea n dp u r i t y t h es e q u e n t i a lq u a d r a t i cp r o g r a m m i n ga n d( m o d i f i e d )n e w t o n r a p h s o na l g o r i t h mw i t ht h em o d i f i e d摘要b a r r i e r - a u g m e n t e dl a g r a n g i a nf u n c t i o nw e r et r i e db u td i dn o tc o n v e r g e w i t ht h es i m p l e xa l g o r i t h mv i at h ea u g m e n t e dl a g r a n g i a nf u n c t i o n ，t h ev a r i a b l e so ff o u r r e s i s t a n c ec o e f f i c i e n t sa n dt h r e eo p e r a t i n gt i m ef o rt h er p s aa r eo p t i m i z e dt oy i e l dp r o d u c tf l o w r a t e0 14 4 m m o l s ，o x y g e np u r i t y9 0 o a n dr e c o v e r y3 7 3 4 ：a n dt h ev a r i a b l e so fs i xv a l v ec o e f f i c i e n tsa n dt h r e eo p e r a t i n gt i m ea r eo p t i m i z e dt om a k er e c o v e r yi n c r e a s eb y1o i nb o t hc a s e so fo p t i m i z a t i o n ，n oa n yr e s i s t a n c ea n dv a l v ec o e f f i c i e n tr e a c h e s“sl o w e ro ru p p e rl i m i t k e y w o r d s ：a ds o r p t i o n ；p r e s s u r es w i n ga d s o r p t i o n ；e l e c t r i c a ln e t w o r k ；f 1 0 w s h e e ti i i华南理工大学学位论文原创性声明本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。作者签名：_ 革， 粤日期：叫作6 月2 日学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权华南理工大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。保密口，在年解密后适用本授权书。本学位论文属于不保密曰。( 请在以上相应方框内打“”)作者签名导师签名日期：h 。，年月 妒日日期：2 删f 年g 月对日第一章绪论1 1 气体分离技术第一章绪论深冷法、吸附法、膜分离法是当代空气分离的三大主要方法“1 。三种方法中，深冷法属于传统方法，该方法生产的产品纯度高，并可同时获得多种产品，但是投资大，需在低温高压下工作，有操作复杂、不能随便停机等缺点，适用于大规模的装置。膜分离法应用于较低纯度的中小型设备。吸附法具有投资少、安全、自动化程度高等许多优点，适用于那些对气体需求量不大，纯度要求不高的就地生产设备。吸附法气体分离可以分为变温吸附和变压吸附( p r e s s u r es w i n ga d s o r p t i o n ，p s a )两大类“。变温吸附就是在较低温度( 常温或更低) 下吸附，在较高温度下解吸。在变温吸附分离过程中，吸附剂靠加热再生，一般加热是借预热清洗气体来实现，由于吸附剂的热传导率比较低，加温和冷却的时间比较长( 几小时或一天以上) 。p s a 则是在较高的压力下吸附，在较低的压力下解吸。由于压力的变化很快，循环快速完成，通常仅需几分钟甚至几秒钟，所以产率较高。近半个世纪以来，p s a 的工艺不断完善，吸附剂的性能不断提高，阀门材料和制造技术也有了长足的进步，使得变压吸附在空分分离方面的竞争力越来越大”。1 2 变压吸附的基本原理p s a 分离方法是基于吸附剂的两种特性产生的：一是吸附剂对吸附质有选择性；二是吸附剂对吸附质的吸附量随吸附质的分压变化而变化，也就是利用气体组分在吸附剂上的平衡吸附量、吸附速度、吸附力等特性的差异以及吸附量随压力变化而变化的特性，通过周期性的压力变换实现吸附和解吸过程的交替进行，实现气体的分离或提纯，同时吸附剂得到循环使用。由此可见，吸附剂是p s a 分离技术的基础。吸附剂的性能直接影响分离效果，甚至影响工艺步骤的选择和p s a 的生命力。吸附剂是具有多孔结构和较大比表面积的固体颗粒。常用的吸附剂有活性白土、硅胶、活性氧化铝、树脂、活性炭、沸石分子筛和碳分子筛“5 1 。p s a 采用的压力变化可以有以下几种方式：常压吸附，真空解吸；加压吸附，常压解吸；加压吸附，真空解吸。般来讲，若提高吸附压力，则吸附剂的吸附容量会增加因此可以减少吸附剂用量，但是由于解吸排出的废气量增加，致使回收率降低。真空下再生的过程在许多场合下能耗较低，主要是利用了吸附等温线的特点：在低压过程的压力范围内有较高的吸附值差。通常，真空解吸时吸附压力只稍高于大气压力，典型的解吸压力为1 5 0 3 0 0 m b a r 。华南理工大学工学硕士学位论文1 3 变压吸附的数学模型由于p s a 气体分离是一个动态过程，过程包括吸附、放压、冲洗、均压和充压等若干非稳态的循环步骤，过程同时进行动量、质量和热量的传递。因此，动态过程的模拟需要使用一系列微分方程来描述，使p s a 分离过程的操作性能和变量之间的关系不能用显式代数方程表示。为了简化数学模型提出了许多假设”4 “。在p s a 分离过程的数学模型中，基本模型主要是：物料平衡方程( 连续性方程) 、能量平衡方程、传质速率方程和吸附相平衡方程( 吸附等温方程) 。这四者是紧密联系在一起的，p s a 过程模拟就是同时求解这四个方面的模型方程。1 3 1 物料平衡方程( 连续性方程)假设吸附床内流体相和固体相分别连续，物料衡算得连续性方程“”。d ，箕：v 塑+ q 竺+ 堕+ 坐堕( 1 1 )0 z a z。0 za to t式( 卜1 ) 中，下标j 表示被吸附组分，吼为组分j 的瞬时固相浓度，c 为组分j 的气相浓度，r 表示气相流动的线速度，占表示吸附床的空隙率，d ，表示j 组分在气流方向的轴向扩散系数。对于上式，当动量传递不能忽略时，必须建立动量守恒方程；当传质不是瞬间完成时，必须建立动力学方程；当系统的热效应不能忽略时，必须建立热量守恒方程。同时要建立相应的边界条件和初始条件。同时联立求解所建立的偏微分方程。“。，得到气相浓度c ，固相浓度o ，流速r 和温度随时间和位置的变化。1 3 2 平衡模型平衡理论不考虑固相和气相间的传质阻力，式( 1 1 ) 中的玑取与气体浓度相对应的平衡值( 即瞬时平衡) 。固相浓度和气相浓度之间的关系直接由吸附等温线来表示。1 3 2 1 单组分吸附等温方程常用的单组分吸附等温方程有h e r y 方程、l a n g m u i r 方程和f r e u n d l i c h 方程。( 1 ) l a n g m u i r 方程l a n g m u i r “1 在1 9 1 8 年基于他提出的单分子层理论，提出了描述单组分吸附的等温方程。其基本假设是：吸附表面上，吸附中心均匀分布而且性质相同；吸附是单分子层的；被吸附分子问无相互作用力，且吸附分子不沿表面移动。2第一章绪论l a n g m u i r 方程经过多次修正和完善，有多种表现形式，但其基本理论是一样的，最基本的方程为：口：旦坦1l + 勋上式中q 为气体的吸附量，q 。为纯组分气体的饱和吸附量，k 为与温度有关的常数。当吸附质在气体中的分压很低时，k p l ，上式变为：9 2 相当于吸附剂表面全部吸附了吸附质，称为饱和状态，此时等温吸附线趋于一条渐近线，吸附量与分压变化无关，为定值。( 2 ) f r e u n d l i c h 方程对于非均匀表面吸附，一种吸附等温方程“表示为：g = 印“”上式中k 和n 为特征常数，与温度有关。n 值一般大于l 。n 值越大，其吸附等温线与线性偏离越大。该方程表示吸附量与压力的指数分数成正比。压力p 增大，吸附量q 随之增大。f r e u n d l i c h 方程不但适用于气体吸附，也适用于液体吸附。就气体吸附而言，压力范围不能太宽，在低压下不能简化为亨利定律，压力足够高时又无确定的使用极限，通常适用于描述窄范围的吸附数据。对于大范围的数据也可以分段关联。1 n 若在0 卜0 5 之间，表示吸附容易进行；超过2 时，则表示吸附难于进行。1 3 2 2 气体混合物吸附等温方程实际的吸附分离过程是多组分体系，故多组分的吸附等温方程对于吸附分离过程的设计计算来说是至关重要的。多组分吸附等温方程主要有基于经典单组分的l a n g u i r 吸附模型的扩展模型、经验的l e w i s 模型、经典流体热力学的理想吸附溶液( i a s ) 理论模型等。( 1 ) l a n g m u i r 方程扩展式假设各组分之间相互不影响，其他组分的吸附仅仅减少了吸附表面上的空位，可以将l a n g m u i r 方程用于n 个组分的混合物，每个组分吸附量为m 1 ：铲专j _ 卜n华南理工大学t 学硕士学仿论文上式中，g 。、屯都是纯组分时的对应值，只为气相组分，的分压。总吸附量为各组分吸附量之和。此方程由于形式简单，应用起来比较方便。但是，由于方程缺乏热力学一致性，故理论论据不充分，只有半经验性质；另外，该方法预测平衡精度不高。在单组分l a n g m u i r 方程的基础上加上指数项表示竞争吸附，有时会很好地表示吸附等温线“3 。，如：q ，k j 呼( 1 + z b j 矿)( 2 ) 理想吸附溶液理论( i a s )吸附的溶液热力学模型是一种较具实用价值的模型。在解决吸附平衡问题时，将气相视为理想气体混合物，吸附相视为混合溶液，按照气液平衡来处理，即利用纯组分的自由焓、化学势等参数，运用热力学关系式，导出各组分气相浓度与吸附相浓度之间的关系m 1 。根据活度系数的定义以及每一组分在吸附附相和气相中化学位相等的平衡准则，可得到：p y , = p o ( 厅) t 对于理想溶液，由拉乌尔定律得：p y , = p o ( 万) t其中p = z 修正l e w i s 方程：土：v 土q ，厶留( 石)石2 书挚，上式中n 是分散压，表示气一固吸附界面的表面张力的降低程度。如果己知纯组分的吸附等温方程，则联立求解上述方程可以得到任意组成的气体混合物的平衡吸附量，且对吸附的组分数没有限制。但每次计算平衡吸附量都需要解联立方程组，直接用于数学模型必然影响计算速度。可以预先用该理论产生一系列离散数据，通过黑箱拟合出代数关系式。对于与理想溶液偏差太远的系统，则不适合使用i s a 理论。1 。3 。3 传质速率方程当不能忽略气固传质阻力时，在连续性方程中，要通过传质速率方程将气相浓度c与固相浓度g ，联系起来。华南理工大学工学硕士学位论文1 4 电路网络模型研究p s a 吸附分离气体理论的分析和计算，还有一种类比的方法，即关和叶“”“提出的电路网络模拟法。此理论假设：气体流过管路相当于电流流过电阻，气体流过吸附床的阻力相当于电流流过电阻的阻力及电感的感抗i 气体在吸附床空隙内的积累，以及在吸附剂上的吸附相当于电流在电容中充电，吸附质吸附前须克服传质阻力也相当于电流越过电阻。在p s a 电路网络模型中，p s a 系统的物理量与电路网络的物理量等价关系如下：电荷一摩尔数( q ，m 0 1 )电位一压力( p ，n m 2 )然后导出如下等价关系：电流一流量( q = d q d t ，m o l s )电阻一气阻( r = 一a p q ，n s m 2 m 0 1 )电容一气容( c = d q d p ，m 2 m o l n )电感一气感( 一a p = l d q d r ，s 2 n m 2 m 0 1 )类似于电路网络，p s a 系统可以由气阻、气容、气感及气源组成。由此四类元件的适当封装，可以将p s a 系统分成具有继承关系的对象，如图卜1 所示“。由面向对象编程的概念可以得到如下关系：基类( p s a s y s t e m ) 派生出四个子类：吸附柱( c o l u m n ) 、罐( t a n k ) 、压力源( ps o u r c e ) 和管路( p i p e l i n e ) ；子类c o l u m n 、p f i o u r c e 和p i p e l i n e还有自己的子类。根据c + + 类的继承和派生，基类具有系统的共有属性，如气体的组分数，各组分的摩尔量、粘度等物性参数，操作温度等，子类除继承父类的属性和方法外，还有自己的属性和方法。在电路网络模型中，利用c + + 的多态方法建立异质链表，从而构成p s a 系统的数据结构。在链表结构中，每个结点除存贮数据外( 最后的结点无数据，只有n u l l 指针) ，还存储一个指针，头一个结点的指针是根指针( * r o o t ) ，最后一个结点的指针是空指针( n u l l ) ，其他结点的指针都是指向下一结点的指针( * n e x t ) 。由此可见，可以通过指向链表的第一个结点的指针来存取链表，后续结点是通过前一个结点的指针来访问，如遇到空地址( n u l l ) ，则表示链表的结束。由c + + 的特性，能够把指向派生类的指针赋值给父类的指针变量，而不需要显式类型转换。如上所述，链表的结点存储了p s a 系统的属性和方法。属性包括父类的属性，自己特有的性质，以及连接关系等。连接关系在系统运行前由p s a 流程图确定。方法也是包括父类的方法和自己定义的方法，包含由于连接关系产生交换的信息接收和发送，进而产生状态方程、方程的解方法、以及输入输出等。对于p s a 系统的实例对象，通过组成对象的元件约束以及对象的局部拓扑约束来建立状态方程。系统中，将吸附柱分为m 个节点，每个节点由阻容感元件构成，外部可与6第一章绪论有b 条支路的节点连接。罐也与有b 条支路的节点连接，接收支路送来的消息( 支路电流) ，向支路发送消息( 电位) 。压力源属于有向元件，输入端接收连接支路送来的电位消息，而向输入连接管路发送电流消息；输出端向连接管路发送电位消息，接收连接管路送来的电流消息。管路是连接其他对象的对象，也可以是某些为了控制对象压力和流量的特定元件，管路向连接支路发送电流消息，接收连接对象送来的电位消息。管路中，时变阀的阻抗随时间而改变，压控阀的阻抗与两端压力有关，恒流源的电流在操作时间内保持不变，压控气流源则与两端压力有关。关和叶提出的p s a 电路网络模型所获得的计算解从文献“1 可知与实验吻合较好，曾嵘”“利用电路网络模型模拟的四塔p s a 过程，模拟结果与c h i a n g 等“的实验结果也吻合很好。电路网络模型有两个特点；( 1 ) 达到周期性稳定的迭代次数少。使用表明，迭代次数一般不会超过三十次便收敛于周期性条件。而偏微分方程模型通常需要上百次至几百次的迭代。因而缩短了计算时间。( 2 ) 面向对象编程。电路网络模型可以模拟由其封装对象所任意连接的p s a 系统，只要给出阀门的开关时序便可。而目前偏微分方程模型采用面向过程编程，模拟一个p s a 操作周期需要辨识每一步是什么过程，从而建立相应的边界条件。这两个特点对p s a 的流程图模拟以及最优化都是非常有利的。1 5 变压吸附的流程图模拟流程模拟、先进控制、过程优化是提高企业效益、降低成本的主要技术手段之一。在上世纪初，对化学工艺的研究方法还是很原始的，无论对新生产工艺的丌发，还是对已有工艺的改进，都是采用逐级放大的方法。在上世纪五十年代，化工研究开始采用计算机，同时数值计算的发展，使得数学模型的求解不再是难以解决的问题，从而开始了流程模拟、过程优化的历程。当今世界上有很多知名的化工过程模拟软件，如a s p e nt e c h 公司的a s p e np l u s 和s i m u l a t i o ns c i e n c e 公司的p r o i i 以及荷兰k t i 公司的e f p s 等，但涉及p s a 分离的动态过程的很少看到。文献“”介绍了a s p e nt e c h 公司的吸附动态模拟软件a d s i m s u ”。该软件能模拟不同的工业吸附过程，包括绝热床吸附、变温吸附、变压吸附和真空吸附。吸附过程可以是单床也可以是多床。该软件用f o r t r a n 语言编写，集成了多种吸附床模型，如等温过程、非等温过程、吸附等温方程不同的形式等。对于p s a 过程，可以模拟吸附、冲洗、充压、放压和均压等步骤。该软件的另一个特点是，用户可以按照一定的格式编造自己的模型。兰塑翌王态兰二兰堡圭兰垡笙兰_ _ _ _ _ _ - _ _ _ _ 一p s a 系统p s as y s t e m吸附柱c o l u m n卜一单层吸附柱s lc o l u m nl 一多层吸附柱m lc o l u m ne 焉萎鋈嘉嚣唧。i 一压控压力源p c ps o u r c e管路p i p e l i n e卜_ 啶常阀c o n s t _ v a l v e卜_ 一时变阀t v - v a l v e卜_ 一压控阀p c _ v a l v e稳流阀q v a l v e卜恒流源c qv a l v e卜一时变气流源t v o v a l v el 压控气流源p c q _ v a l v e图卜lp s a 系统的对象f i g 1 1o b j e c t so fp s as y s t e m1 6 本研究的目的和任务p s a 流程及其操作毕竟相当灵活，可以构成各式各样的连接和相应的操作方式。类似于a s p e nt e c h 公司的a d s i m s u “软件是面向过程编程的，所能模拟的p s a 过程受其集成的操作步骤限制。面向对象编程技术允许软件模拟任意连接的p s a 过程。这种任意连接性使p s a 流程和操作有相当的自由度，甚至会构成一些叫不出名字的操作步骤。对于研究这种灵活的、任意连接的p s a 过程，可以通过数据文件的方式输入系统的性质及连接关系。但一方面，系统的复杂性使文件输入方式难于表达。另一方面，文件输入对用户不方便、不直观、容易错漏。编制一个图形输入界面可以发挥出电路网络模型的强大功能。3第章绪论另一方面，由于p s a 数学模型的解很耗机时和数值计算误差等原因，通过动态机理模型来优化p s a 过程目前还有困难。本研究的内容是：( 1 ) 使用v i s u a lc + + 的面向对象编程语言，编制一个p s a 流程图的图形输入界面软件，使用户可以根据自己的意愿来设计p s a 流程。对于这个p s a 流程，动态模拟软件自动建立方程和解方程，使编制的软件灵活、易于使用。( 2 ) 在软件中集成最优化算法，对p s a 过程进行最优化研究。最优化是p s a 研究和设计的很有用的工具。在软件中集成这一工具对用户是很有益的。9兰壹垄三查堂兰堂堡i 丝笙塞第二章变压吸附流程分析尽管p s a 是通过压力的变化来达到吸附和解吸的循环操作，为了提高操作性能，p s a采用了各种各样的流程及操作方式。为了所编制的流程图软件能适应于模拟各种p s a 流程，本章对p s a 的流程进行分析和总结。有研究者叫按工艺差别将p s a 分为三类：s k a r s t r o m 循环、g u e r i n d o m i n e 循环和快速变压吸附。p s a 流程一般是以这三类循环为基础，根据生产的要求进行流程改变。2 1 变压吸附的经典流程2 1 1s k a r s t r o m 循环图( 2 1 0 ) 是s k a r s t r o m 循环用于空气分离的两床流程图。图中吸图2 1s k a r s t r o m 流程示意图f i g 2 1s c h e i n a ticd i a g r a m0 fs k a r s t r o m附床与管路对称安装，两个吸附床装有等量的吸附剂。该流程在常温下工作，一床加压吸附，另一床减压解吸。利用部分产品气以逆流方向通向需再生的吸附床，以除去吸附剂中强吸附组分。s k a r s t r o m 流程简单，产品的回收率较低，在大规模生产中不经济。s k a rs t r o m 循环的一个周期四个操作步骤，如图( 2 2 ) 所示：第一步：床a 吸附，床b 冲洗。高压原料气连续进入吸附床a ，其中的可吸附组分被吸附剂吸附，选择性吸附后的气体从产品端流出，一部分作为产品，另一部分用于冲洗先前已经降压的吸附床b 。1 0第二章变压吸附流程分析f e e df e e dp r e s s u r i z a t i o nb l o w d o w ne x h a u s tf e e df e e de x h a u s t图2 - 2s k a r s t r o m 操作步骤f i g 2 - 2s t e p so fs k a r s t t o mc y c le第二步：床a 放压，床b 充压。现吸附剂的解吸；已经完成冲洗步骤、料气充压。第三步：床a 冲洗，床b 吸附。吸附床a 逆向降压到冲洗压力，实吸附剂得到了解吸的吸附床b 用原高压原料气连续进入吸附床b ，其中的可吸附组分被吸附剂吸附，选择性吸附后的气体从产品端流出，一部分作为产品，另一部分经降压后用于冲洗先前已经降压到冲洗压力的吸附床a 。第四步：床a 充压，床b 放压。现吸附剂的解吸；已经完成冲洗步骤、料气充压。2 1 2g u e r i n d o m i n e 循环吸附床b 逆向降压到冲沈压力，实吸附剂得到了解吸的吸附床a 用原在g u e r i n d o m i n e 循环25 1 中吸附剂的再生采用真空的方法，通常称华南理上入学t 学硕士学位论文之为v p s a ( v a c u u mp r ess u r es w in ga d s o r p t i o n ) 。图( 2 3 ) 是它的流程示意图。它的适用性比较广，根据分离混合气的性质，可以增减吸附床的数目、吸附床相互连接的方式和操作步骤。f e e d图2 3g u e r in d o m i n e 流程示意图f i g 2 3s c h e m a t icd i a g r a m0 fg u e r in - d o m i n ec t在图( 2 - 3 ) 所示的流程中，每个吸附床都要经过三个步骤：第一步：a 床吸附，b 床抽真空。打开v l 和v 2 阀门，高压原料气连续进入吸附床a ，其中可吸附组分被吸附剂吸附，选择性吸附后的气体从产品端流出；b 床的v 8 阀门打开，在床层的中部进行抽真空。第二步：a 床放压，b 床充压。仅打开v 3 阀门，a 床的放压气对b 床进行充压。第三步：a 床抽真空，b 床吸附。a 床的v 4 阀门打开，在床层的中部进行抽真空；b 床的v 5 和v 6 阀门打开，进行吸附。g u e r i n d o m i n e 循环生产规模比较灵活，在产品回收率方面优于s k a r s t o m 循环，但是要增加真空泵设备。s k a r s t r o m 循环与g u e r i n d o m i n e 循环之间的基本差别在于：前者在常压下解吸并用产品冲洗，后者则是利用真空解吸，并用产品充压。这两种循环的提出，是p s a 技术发展的一个重要开端。此后，人们陆续提出了许多改进的方案。第二章变压吸附流程分析2 1 3 快速变压吸附循环快速变压吸附( r a p idp r ess u r es w i n ga d s o r p t i o n ，r p s a ) 又称参数泵p s a ，它的工作流程如图( 2 - 4 ) 所示2 。r p s a 用快速改变流动的c tf e e de x a u s t图2 4 快速变压吸附流程示意图f ig 2 4s c h e m a t icd i a g r a m0 fr a p idp r e ssl i t es w i n ga d s o r p t i o r l方法进行操作，操作的循环时间很短( 5 2 0 s ) ，床层具有较高的压力降( 1 3 b a r ) 。吸附床层高的压力降通过使用小粒径( 1 0 0 5 0 0 z m ) 的吸附剂来实现。在一个周期内，吸附床经历两个操作步骤：第一步：吸附阶段。高压原料气连续进入吸附床，产品气从产品端流出。第二步：解吸阶段。吸附床逆向放压，吸附剂得到再生。r p s a 工艺特点是：循环时间短；同p s a 方法相比，在产气量相同的情况下，吸附剂的用量显著减少。但是，由于时间和吸附剂动力学的限制，分离效率和性能可能会下降( 产品纯度和回收率下降) 。另一方面，快速变压吸附循环常由于水力约束( 气体分布不均、吸附剂流化、柱体压力下降等) 限制了吸附床的气流通过率。放射状的吸附器能缓解这一问题。这种类型的吸附器中，吸附剂放置在两个同心的圆柱体之间，气流放射式通过填满吸附剂的截面。但是，这种吸附器造价较高。这种允许快速循环、在低压力下有大的气体处理量且完全不流化的设计己有发展。一种可能华南理j 大学t 学硕士学位论文的发展趋势是：将己成功应用于变温吸附的旋转式吸附床用于变压吸附循环2 6 2 “。2 2 最简单的p s a 单床循环图( 2 5 ) 是一个最简单的p s a 单床流程图m 1 。该流程图看起来和图( 2 4 )相似，但它没有产品罐，一般采用s k a r s t r o m 或g u e r i n d o m i f i e 的操作步骤，而不是r p s a 操作。f e e de x a u s t图2 - 5 单床p s a 流程示意图f i g 2 - 5s c h e m a t i cd i a g r a mo fo n ec o l u m np s a由于吸附和解吸是p s a 循环操作必不可少的两步，因此，在单床p s a 操作中，进料和产品都是间歇的。此外，不能在吸附床之间进行充压和均压等操作，因而不能充分利用压力能和回收有用组分，导致回收率低，能耗较大。但由于它的简单性，可以用于对能耗、回收率要求不高而又追求简单的场合。2 2 1 三步骤的单床p s a 循环杨春育等”“使用单床p s a 循环进行富氧( 约3 5 ) ，其三步操作步骤如图( 2 5 ) 所示。第一步：充压。打开原料气阀门，高压原料气进入吸附床，向吸附床充压。第二步：吸附。当吸附床压力升到一定程度时，打开产品气阀门。较多的强吸附组分被吸附，弱吸附组分作为产品流出。第三步：放压。当产品纯度低于一定值时，关闭产品及原料阀门，打星三量銮些坚堕亟堡坌堑_ - - _ _ _ _ _ _ _ - - _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ - _ _ l _ _ _ _ 一开放压阀门。吸附床减压，吸附的气体被解吸而使吸附剂再生。排出的气体中强吸附组分含量提高。杨育春等引使用的操作参数如表( 21 ) 所示。实验中，控制进料压力0 4 m p a ，产品最低氧纯度2 7 。实验中，在第六个循环之后，平均的氧纯度基本达到稳定，实验结果如表( 2 2 ) 所示。叶一m广ij b l o w d o w nu审e x h a u s t图2 - 6 单床p s a 三步操作f i g 2 6t h r e es t e p so fo l i eb e dp s a表2 1 单床p s a 制富氧参数t a b le 2 1p a r a m e t e r so fp r o d l l c i n go x y g e n吸附柱长1 0 5 m气源压力0 6 m p a柱直径o 1 5 m吸附剂重量9 8 k g吸附剂5 a 分子筛氧吸附等温线常数0 8 7 1 3 e 一9 m o l g粒径l 一2 啪氮吸附等温线常数2 2 2 6 4 e 一9 m o l g杨春育等“在实验中对气源进行了预处理。水蒸气和二氧化碳在沸石分子筛上都有很强的吸附性。当原料气中含有这两组分时，出于它们过强的吸附而不易解吸，随着操作的进行在吸附剂内越积越多，从而影响氮气的吸附。因此，要进行预处理。原料气可以预处理后再进入p s a 系统。为了工艺简化，预处理用的吸附剂( 硅胶、氧化铝等)装填于吸附床的原料端。原料气进入吸附床时首先经过预处理层而除去不必要的杂质。这种多层填充的吸附床现在被广泛应用。华南理t 大学t 学硕士学位论文表2 2 单床p s a 产品平均氧纯度( 摩尔分数，)t a b l e2 - 2r e s u l to fo n eb e dp s ap r o c e s sf o ro x y g e np r o d u c t ( m 0 1 )循环数氧气浓度循环氧气浓度数13 2 873 4 723 3 783 4 833 4 293 4 843 4 11 03 4 753 4 31 13 4 863 4 71 23 4 82 2 2 五步骤的单床p s a 循环r e g e 和y a n g m3 使用单床五步骤的p s a 操作来分离氩气和氧气。如图( 27 )所示，原料气是含氩5 和氧9 5 的混合气，吸附剂是b f m s c 分子筛，在常压下吸附，真空解吸。其实验步骤如下：fi：9ressljrizatianfi：ads。印ti。n门cocurrcnt掣t黜1“fij9 岫薛第一步第二步第三步第四步：充压( 5 s ) 。用原料气对吸附床充压到一个较高的压力p 。( 1 a t m ) ：吸附( 3 0 s ) 。在压力p 。下，进行吸附得到氩气产品；顺向放压( 1 0 s ) 。停止进料，吸附床顺向放压到中间压力p 。( 0 8 0 9 a t m ) ，仍然得到氩产品；逆向放压( 5 s ) 。吸附床逆向放压到一个更低的压力pl ( 0 2 a t m ) ：1 6第二章变压吸附流秽分析第五步：冲沈( 3 0 s ) 。用氩产品气逆流冲洗吸附床，使吸附剂再生，以进行下一个循环。这个单床循环增加了顺向放压和逆向产品气冲洗的步骤。顺向放压排出气仍然作为产品气，在一定程度上回收床层空隙的产品气。产品冲洗是为了清除解吸出来的杂质组分，以便在下阶段的操作中产生更高纯度的产品。图2 7 中，如果是以氧气为产品，则可以在第三步中引入产品顺向冲洗。实验结果如表23 所示。表2 3 五步骤p s a 生产氨气实验结果t a b le2 3r e s u l to ff ive s t e pp s af o rp r o d u c i n ga r 9 0 1 3原料流冲洗流率氩产品纯氩产品回循环数p c d ( a r m )窒( m s )度收率( m s )( )( )110 80 0 5o 0 0 86 9 26 7 9 220 8 50 0 5o 0 0 88 0 3 84 2 6 1l3o 90 0 50 0 0 88 7 o o1 4 8 52 3 两床p s a 流程在图( 2 - 1 ) 所示两床p s a 流程中，除了经典的s k a r s t r o m 循环外，可采用多种灵活的操作方案。如果在废气排放中增加真空设备则构成v p s a 。表( 2 4 ) 是一个真空解吸的均压操作的p s a 操作过程。表2 4 两床五步均压v p s a 时序t a b l e2 - 4c y c l es e q u e n c eo f5 一s te pt w ob e dv p s a床名123456la 床均压吸附均压逆向放压抽真空lb 床均压逆向放压抽真空均压吸附该操作的特点是引入均压步骤。如表2 4 所示，刚刚吸附结束的b 床处于高压状态下，如果马上逆向放压，则损失了压力能及床层空隙中的产品组分。因此，向抽真空结束后的a 床均压，回收部分压力能及产品组分，可使回收率升高，能耗降低。华南理上人学i 学硕十学位论文均压操作时保留一定的压差比完全均压的效果好。f l a r u n a 等人发现适当控制均压过程的时间，使两塔均压后维持一定的压差有利于提高操作效果。因为均压后仍维持一定压差，限制了杂质组分的解吸，从而提高了产品的回收率“。在两床均压时，打开两床问的连接阀而切断产品通路，使产品不连续。可以增加产品缓冲罐解决这个问题。表2 5 是文