（机械电子工程专业论文）psa在内燃机节能的应用探索及匹配控制研究.pdf

p s a 在内燃机节能的应用探索及匹配控制研究 摘要 本文介绍了变压吸附制氧技术的原理、分子筛以及工艺流程等，建立f 变压吸附的模型。并进 行了数值模拟，得到r 冲洗比、吸附压力、进气流速等操作参数对同收率t j 纯度的影响。考虑到变 压吸附制氧方法产生的氧气量，装置结构尺寸小、启动时间短、自动化稃度高等诸多优点，在中小 规模空气分离领域，尤其是供应富氧时，p s a 法的优势明显，能够为内燃机提供浓度稳定的氧气。 以柴油机4 1 0 2 b z l q 作为研究对象，探索进气富氧在内燃机上应用的j 丁行性。通过k i v a - 3 v 程 序建立了4 1 0 2 b z l o 柴油机燃烧室的网格模型井进行了燃烧过程的数值模拟。通过模拟计算。获取 了喷油柬、缸内气体压力、温度等随曲轴转角的变化规律；通过模拟计算，获取了在不同曲轴转角 下n o x 的缸内分布规律以及随曲轴转角的变化规律，并分析认为n o , 的生成量主要受最高燃烧温度 的影响：通过模拟计算，获取了c o 、s o o t 随曲轴转角的变化规律。 应用k i v a - 3 v 利序模拟计算了不同氧浓度的燃烧室的燃烧过程。随着进气中氧浓度的增加。燃 烧室内的最大平均压力( 示功率) 和最人平均温度逐渐升高，碳烟与c o 的排放量均有显著降低r 降 低可达7 5 ) ，但n o 。排放率明显增加。通过对模拟的结果进行统计、分析比较，认为最佳的氧浓度 应在2 3 左右。在选定富氧率之后，本文对相关参数的研究表明适当的推迟喷油提前角有利于降低 n o , ，而对s o o t 和c o 的排放量的影响不致太人。 为了使富氧率能够较快的跟踪上响应达到符合相对应工况的值，本文通过模糊自整定p i d 来控 制富氧率。模糊自挚定p 1 d 控制秉承了常规p i d 控制和模糊控制的优点，对被控系统的适应性强、 鲁棒性好，特别是在系统参数发生改变时同样可获得令人满意的控制效果能很好的适应现实控制 过程中的要求。 关键词：内燃机，富氧燃烧，数值模拟，变压吸附制氧，模糊p 1 d 控制，k i v a - - 3 v i l e x p l o r a t i o n o f t h e a p p l i c a t i o n o f p s a i n i n t e r n a l c o m b u s t i o n e n # n e t o e c o n o m i z e e n e r g ya n dr e s e a r c ho ni t sm a t c h i n ga n dc o n t r o l a b s t r a c t t h i st h e s i si n t r o d u c e dt h et h e o w , m o l e c u l a rs i e v e sa n dt e c h n o l o g i c a lf l o wo f p r e s s u r es w i n g a d s o r p t i o nt op r o d u c eo x y g e n ，m a d en u m e r i c a ls i m u l a t i o nb ys e t t i n gu pam o d e l , t h c ng o te f f e c t so fp f r a t i o s ，a d s o r p t i o np r e s s u r e sa n df e e df l o wr a t e so no x y g e np u r i t ya n dr e c o v e r y c o n s i d e r i n gt h ev o l u m eo f t h ep r o d u lo x y g e n , i t sd e v i c e ss m a l ld i m e n s i o n s ，s h o r ts t a r t - u pt i m e ，h i g ha u t o m a t e dl e v e la n ds oo n , i n t h ef i e l do f s m a l la n dm e d i u ms c a l ea i rs e p a r a t i o n ，e s p e c i a l l yw h e ni t w a su s e dt op r o v i d ee n r i c h e do x y g e n , t h em e t h o do fp r e s s u r es w i n ga d s o r p t i o nt op r o d u c ee n f i c h e do x y g e nh a so b v i o u sa d v a n t a g e s ，a n dc a nb e u s e dt op r o v i d eo 珂g e nw i t hs t a b l ec o n c e n t r a t i o n b yu s i n gt h ed i e s e le n g i n e4 1 0 2 b z l o ，e x p l o r e dt h a te n i i c h e do x y g e nc o u l d b eu s e di ni n t e r n a l c o m b u s t i o ne n g i n eo rn o t b yu s i n gk i v a - 3 vc o d e ，s e tu pt h eg r i dm o d e lo fc o m b u s t i o nc h a m b e r , a n d m a d es o m es i m u l a t i o n sa b o u tt h ec o m b u s t i o np l o c c $ b ys i m u l a t i o n , g o tt h er o l e so fs p r a y i n gt h e0 1 1 t h e p r e s s u r eo fg a s e sa n dt h et e m p e r a l m ei nt h ec y l i n d e rw i t ht h ec h a n g i n ga n g l eo fc r a n ks h a f t ；b ys i m u l a t i o n , g o tt h ed i s t r i b u t i o nl a wo fn o xi nt h ec y l i n d e ra n dt h el a wo fn o x sv o l u m ew i t ht h ec h a n g i n ga n g l eo f c r a n ks h a f t , t h e na n a l y s e dt h el a w s , a tl a s tc o n s i d e r e dt h a tt h ev o l u m eo ft h en o xw a si n f l n c e db yt h e m a x i m u mt e m p e r a t u r ei nt h ec y i m d c f ；b ys i m u l a t i o n ，g o tt h er e g u l a t i o n so fs o o ta n dc ow i t ht h ec h a n g i n g a n g l eo f c r a n ks h a f t b y u s i n g k i v a - 3 v p r o g r a m , t h i s p a p e r s i m u l a t e d t h e c o m b u s t i o n p r o c e s s o f c h a m b e r a t d i f f e r e n t o 珂g 即c o n c e n t r a t i o n s a so x y g e nc o n c e n t r a t i o n si n c r e a s i n g ，t h em a x i r n n mp r e s s u r e ( i n d i c a t e dp o w e r ) a n d t h e m a x i m u m t e m p e r a t u r e w e r e i n c r e a s i n g , t h e v o l u m e o f c o a n d s o o t w a s d e c r e a s i n g o b v i o u s l y ( b y 7 5 b u t t h e v 幽黜，n o x w a s m a e a s m g o b v i o n s i y t o o b y s t a t i s t i c a l a n a l y s i s a n d c o m p a 血g t h e r e s u l t s o f s i m u l a t i o n s ，t h o u g h t t h a t t h e b e s t o x y g e n c o n c e n t r a t i o n w a sa b o u t 2 3 a f t e r c h o o s i n g t h e b e s t o x y g e nc o n c e n t r a t i o n ，t h i st h e s i sd i dr e s e a r c ha b o u ts o m er e l a t e dp a r a m e t e r s ，i ts h o w e dt h a ti tw a s a d v a n t a g e o u st od e c r e a s i n gn o ib yd e l a y i n gi n j e c t i o nt i m i n g ，a n da tt h es a m et i m et h ee f f e c t st os o o ta n d c ow e r en o tt o om u c h i no r d e rt om a k et h a to x y g e nc o n c e n t r a t i o nc a nt r a c kt h er e s p o n s ea n dr e a c ht h ec o r r e s p o n d i n gv a l u e , t h i st h e s i su s e dt h em e t h o do ff u z z yp i dt oc o n t r o le n r i c h e do x y g e nc o n c e n t r a t i o n f u z z yp i dc o n t r o l i n h e r i t e dt h ea d v a n t a g e so ft h en o r m a lp i dc o n t r o la n df n z z yc o n u o l , h a ss t r o n gc a p a b i l i t yo fa d a p t i n g , g o o dr o b n s m e 鹞a n df i n ea n t i - i n t e r f e r e n c e ，e s p e c i a l l yw h e nt h ep a x a m e t c r so ft h ec o n t r o l l e ds y s t e m c h a n g e s ，c a na d a p t st ot h er e q u k e so fr e a lc o n t r o lp r o c e s sw e l l k _ e y w o r d s ：i n t e r n a lc o m b u s t i o ne n g i n e ，e n r i c h e do x y g e nc o m b u s t i o n , n u m e r i c a ls i m u l a t i o n , w e s s u r e s w i n ga d o r p t i o nt op r o d u c eo x y g e n , 如盈丐p i dc o n t r o l ，k i v a - 3 v i l l 学位论文独创性声明 本人所里交的学位论文是我在指导教师的指导下进行的研究工作及取得的 研究成果据我所知，除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含其他个人已 经发表或撰写过的研究成果对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在 文中作了明确说明并表示谢意 v 作者签名：! 乏f 芷日期：2 笠婆垒丝 学位论文使用授权声明 本人完全了解大庆石油学院有关保留、使用学位论文的规定学校有权保留 学位论文并向国家主管部门或其指定机构送交论文的电子版和纸质版；有权将学 位论文用于非赢利目的的少量复制并允许论文进入学校图书馆被查阅；有权将学 位论文的内容编入有关数据库进行检索；有权将学位论文的标题和摘要汇编出 版保密的学位论文在锵密后适用本规定 学位论文作者签名：l 玄也 协 日期：柳曩沙 导师签名： 日期：矽叼多 创新点摘要 1 首次提出在车辆上采用制氧技术用于内燃机的节能增效和环保的理念； 2 首次应用变压吸附制氧技术对内燃机进气富氧燃烧的可行性进行研究： 3 首次利用k i v a - 3 v 程序集进行内燃机富氧燃烧方面的数值模拟； 4 首次将模糊自整定p i d 技术应用于控s f j l 为燃机进气富氧率的研究。 i v 大庆石油学院硕士研究生学位论文 引言 随着我国经济发展，汽车工业已成为支柱产业有资料表明，汽车每年约消耗我国 汽油总产量的8 5 ，柴油总产量的2 0 ，据国务院发展研究中心产业部预测，到2 0 1 0 年机动车的燃油需求为1 3 8 亿吨，是当年全国石油总需求的4 3 ，将要“吃”掉一半 左右的自产及进口石油。 石油既是关系国计民生的重要能源，又是不可再生的战略性资源。当前我国石油供 需之间的的矛盾十分突出。8 0 年代以来我国石油产量年平均增长1 7 ，而年消费均增 长4 9 ，从1 9 9 3 年起我国已成为石油纯进口国。按照全面建设小康社会的奋斗目标， 今后2 0 年我国经济年均增长速度将保持在7 以上。据国内外权威机构的预测，2 0 1 0 年我国石油、成品油和天然气的消费量将分别达到3 亿吨、1 7 亿吨和1 0 0 0 亿m 3 。到 2 0 1 5 年，国内石油产量将不足需求量的1 2 。当国内需求1 2 以上需要进口时，将对我 国国民经济的发展和经济安全产生重大影响。从目前采用各种新能源发展的情况来看， 如电能、太阳能以及替代燃料等还没有达到实用程度，节能增效的方法与技术则成了克 服能源短缺这个阻碍经济发展瓶颈的必由之路。 为了改善燃油经济性，汽车发动机常常采用增压系统。发动机增压目的是使气缸内 获得更多的氧气，从而使燃油混合物在燃烧行程中有效的燃烧，以增加发动机的输出功 率。如果采用直接输氧的方式为发动机提供高纯度氧气将是减少能耗，提高效率的更有 效方法。 常温常压下，氧气是一种无色、无味、透明的气体，可以助燃，化学性质活泼，易 和其他物质发生氧化反应。氧气的这些性能被广泛的应用于炼钢、炼铁、医疗保健、航 海、航空、石油化工等行业，已经产生了良好的经济效益，并进一步的推动了制氧技术 的发展。利用制氧技术为内燃机提供高纯度的氧气，为节能、增效、环保提供了新的探 索方向，具有良好的发展前景。 第一章概述 1 1 实用制氧方法 第一章概述 在自然界中，2 0 9 5 体积的氧以游离态存在空气中，如表1 - 1 所示。因此空气成为 人们获取氧气的主要来源，各国的实用制氧方法是从空气中分离出氧气。 表1 - 1 空气的组成 ! ! ! ：! ：! 笪：垡里巴! ! 堂翌 组份分子式体积，质量， 目前在工业上国内外常使用的三种空分制氧技术【l 】：深冷法、变压吸附分离法和薄 膜分离法 a s u ，即a i rs e p a r a t i o nu n i t ，深冷法( 低温精馏) 的工作原理是将空气压缩液化，除 去杂质并冷却后，根据氧、氮沸点的不同( 在大气压下，氧的沸点为9 0 k ，氮的沸点为 7 7 k ) ，在精馏塔板上进行气、液接触：由于氧的沸点较高，所以空气中的氧组份将会不 断的从蒸汽中冷凝出来进入下降液体之中，而低沸点的氮组份则不断的转入上升的蒸汽 当中，这就使得上升蒸汽中氮的含量不断提高，下降液体中氧的含量也越来越高，最终 实现氧、氮的分离。由于此法中空气的液化与精馏都是在1 2 0 k 以下的温度条件下进行 的，所以也称为低温精馏法。 p s a ，即p r e s s u r es w i n g a d s o r p t i o n ，p s a 流程以压力变化为主要操作参数，是在吸 附剂固定床上进行净化和部分( 或完全) 分离的一种工艺，其分离气体的基本原理是利用 吸附剂对不同气体在吸附量、吸附速度、吸附力等方面的差异，以及吸附剂的吸附容量 随压力的变化而变化的特性，在加压条件下完成混合气体的吸附分离过程，降压脱附被 分离吸附的各种组份，从而实现气体分离以及吸附剂循环使用的目的。 m s t 即m e m b r a n e s e p a r a t i o ns y s t e m ，膜分离法的工作原理是基于有机膜的渗透 选择性，使膜与混合气体相接触，在膜两侧压力差驱动下，由于不同气体分子透过膜的 速率不同，渗透速率快的气体在渗透侧富集，两渗透速率慢的气体则在原料侧富集，从 而最终达到分离混合气体的目的。膜技术的关键是制造高通量、高选样性、使用寿命长 又易于清洗的膜材料，同时将它们制成大透气量和高分离效能的膜组件。 2 大庆石油学院硕士研究生学位论文 有关各种分离方法的特点可参见下表。 表1 - 2 各种气体分离方法的比较 ：! ! ! ：! ：! 竺竺2 1 壁苎2 翌2 1 坐! 巴! ! 1 2 坐丝p 型旦笠2 1 竖! 墨 项目深冷分离法 变压吸附法膜分离法 1 2 制备富氧空气方法的适用范围 富 氧 浓 度 术 折合纯氧的产品气量x 1 0 3 i i z h 1l f t a = o 0 2 8 3 m 3 图1 - 1 不同制氧方法的适用范围 f i g 1 1r a n g eo fa p p l i c a t i o no f d i f f e r e n tm e t h o d st op r o d u c eo x y g e n 生产大用量、高纯度的氧气以深冷法最为经济。其主要优点是：其主换热器只起低 温产品气体和环境温度原料气热交换作用，其冷损失可尽可能低；所需交换的热量减少 到最小，换热器的面积也最小。所以它在空气分离方法中占据着牢固的统治地位。目前 这种制氧方法日趋成熟，正向超低压、节能大型化、全自动化方向发展。 p s a 法的优点在于常温操作、启动时间短、投资少、自动化程度高、占地面积少、 3 第一章概述 产品纯度调节方便和工艺设备简单等。在中小规模空气分离领域，尤其是供应富氧时， p s a 法空分工艺建立了自己的优势。近年来，随着工业生产中日益强调节能降耗，以及 环境保护意识的加强，p s a 技术以其工艺简单，节能效果显著，基本无污染排放等特点 显示出广阔的应用前景。 膜分离具有效率高、能耗低、设备紧凑简单、流程短、操作方便、无运转部件、占 地面积小、工艺过程无相变、也无需再生、适应性很强、处理量大和投资费用较低等特 点，发展前景及应用领域广阔。但此法只能生产纯度为4 0 5 0 的富氧，若要制取5 0 以上的富氧空气，需采用多级膜分离过程，这会导致设备投资和操作费用大幅度上升， 并且随着生产量的增大，所需膜面积也跟着增加，存在薄膜易于损坏、对原料气净化要 求高、操作压力大、维修费用高、可靠性差等弱点，其工业应用有待进一步研究。 1 3p s a 制氧技术在国内外发展与现状 吸附分离是一门古老的学科，很早就被人们发现和利用，早在2 0 0 0 年前西汉古墓 中就用木炭吸湿防潮，这说明了当时人们已了解到木炭有很强的吸附作用；1 8 世纪末在 生产上已应用骨炭脱除糖水溶液中的色素，但由于受到人们认识能力和当时科技条件的 限制，研究工作一直徘徊不前。2 0 世纪2 0 年代初期，首次研制生产了可从气体中分离 酒精和苯蒸汽与天然气中回收乙烷等碳氢化合物的大型生产装置。到了2 0 世纪6 0 年代 初，吸附分离技术仍局限用于空气和工业捧气的净化方面。吸附分离成为大型工业的生 产工艺和完整的单元操作过程是在2 0 世纪6 0 年代迅速发展起来的，由于世界能源短缺 急需探索节能的工艺和化工单元操作，也由于低品位资源有待开发和充分利用，石油化 工原材料需要扩大来源，对环境污染治理的要求愈来愈高，以及钢铁工业、气体工业、 食品和轻工业等各行业的要求，使吸附分离技术日益得到重视。进入2 0 世纪7 0 年代后， 西德埃森矿业研究所开发了碳分子筛，为p s a 分离空气拓宽了道路。2 0 世纪7 0 年代末， 由于污水生化处理需要富氧促迸细菌的活力，变压吸附制氧迅遽工业化。1 9 8 0 年实现了 用单床p s a 法制取医用氧。德国林德公司2 0 世纪8 0 年代以来的单位氧产品能耗最低 可达0 0 4 2 k w h 加3 0 “氧出1 2 ：1 压力0 1 m p a ，纯度为9 3 ) 。1 9 9 1 年，日本三菱重工制成世 界上最大的p s a 剖氧设备，其氧产量可达8 6 5 0 m 3 h 。 我国的p s a 制氧设备通过引进技术、消化吸收、持续开发，现已初步系列化，其 产氧量最高可达2 6 0 0 m 3 h ，氧纯度9 0 。由于变压吸附一般在室温和不高的压力下操作， 设备简单，床层不需要外加热源，再生容易，可连续操作，对原料气的质量要求不高， 操作弹性大，吸附剂寿命长，易适应进料气组成和处理量波动等优点，加之性能优越的 优先吸附氮的能力约为吸附氧的能力的3 倍的合成沸石或分子筛等新型吸附剂的开发和 新的变压循环法的发明，使情况发生了戏剧性的变化。这些事件再加上近3 0 年来的一 系列吸附基础理论方面的重大发展和计算手段的完善，促使吸附发展为分离气体和液体 混合物的重要方法，吸附分离过程成为化学工业及石油化学工业中气体分离的关键过 4 大庆石油学院硕士研究生学位论文 程，并在化工、炼油、轻工、食品和环保等领域得到广泛应用。近年来，p s a 空气分离 在全世界范围内得到了广泛的研究和开发，吸附剂和工艺技术方面取得了突破性进展， 己使得p s a 空分在工业、医疗、生活和环保中显示了很大的优势。 1 。4p s a 在内燃机节能领域应用的可能性 性能优良的内燃机其主要表现为比功率大、比质量小、燃油消耗率低、排放污染小、 工作可靠、使用寿命长、操作方便。由内燃机工作过程研究可知，影响内燃机功率大小 的因素很多，可表达为【2 l ： 111 只i v , h 。二中。叩i t 二，7 。n p h ( 1 - 1 ) i oz a 式中：为有效功率，f 为气缸数，k 为气缸工作容积，日。为燃料低热值，k 为化 学计量比，f 为冲程数，o 。为充量系数，巩为指示热效率，口为空燃比，叩_ 为机械效 率，托为发动机转速，以为发动机进气管的空气密度。 由式( 1 1 ) 可知，提高内燃机功率主要有下列途径： 1 在结构方面：适当增大气缸直径和活塞行程，增加气缸数。 2 在工作过程方面：采用二冲程工作过程，提高充量系数。改善燃烧过程，提高指 示热效率，优化空燃比。 3 在提高机械效率方面：减少摩擦副的摩擦损失，合理设计风扇、水泵、机油泵、 电动机等辅助系统。 4 在运行方面：适当提高发动机转速，等等。 自从内燃机问世1 0 0 多年以来，人们进行了大量卓有成效的研究工作，密集了高科 技的成果，取得了令人满意的进展。然而，上述诸因素中，有的互相促进，有的却互相 制约。如：过分增大缸径、行程。增加气缸数，会使内燃机结构变得庞大、复杂、笨重， 给加工、安装、使用及维修都带来不便；采用二冲程，则因降低换气质量而影响热效率 的提高；过高的转速，不仅给改善工作过程带来困难，增加摩擦损失，而且运动件由此 产生较大的惯性力，使发动机的工作可靠性、使用寿命受到影响。 提高进气充量密度，通过加强易燃性，提高空气和燃料的混合比是最有效的方法。 发动机的增压目的是增加进入气缸之前的空气或者空气燃油混合物的浓度因此，增加 了吸入气缸内的充量，并在吸气和压缩行程中进行了压缩，气缸内获得了比常规自然吸 气充量方法更多的、可利用的氧气。从而每循环有更多的空气和燃油混合物进入气缸内， 在燃烧行程中有效的燃烧，比自然吸气方式增加了发动机的输出功率，改善经济性，节 约能源；适应不同海拔，补偿高原功率损失，减轻发动机排气污染，减少废气中的有害 气体成分，降低发动机噪声。 5 第一章概述 增压与非增压发动机相比，在发动机基本结构不变的情况下，可以大幅提高功率， 降低油耗5 1 0 ，排放值减少1 0 以上。我国在强调g d p 增长的同时也非常注重环 境保护。涡轮增压器是为柴油、汽油动力装置配套的环保、节能型高科技产品，它能够 很好的改善发动机的工作状况，从而满足高标准的排放要求。 1 5 本课题的研究的主要内容与来源 如果将高浓度的氧气注入燃烧室肯定要比采用增压器通过提高注入燃烧室气体密 度的方法更为有效。另外，在高原地区，制氧机还可给工作人员提供吸氧需求，一举多 得。 本课题研究的主要内容为： 1 变压吸附在内燃机节能方面应用可行性的研究； 2 建立内燃机仿真模型，进行燃烧过程的数值模拟，并在此基础上选定较佳的进气 富氧率： 3 在选定的进气富氧率下，进行变参数研究； 4 内燃机进气富氧的控制方案。 近年来，随着我国经济建设的不断深入，人民生活质量的不断提高，对能源的需求 越来越大，对环境保护的要求越来越高，特别是在青藏铁路建设这一世界独有的高原环 境中，因缺氧等，各种机械设备难以发挥作用，能耗成倍增加，同时工作人员因缺氧和 高原反应，能力非常低下。如何有效的改善这些情况，为将来提供节能环保的设备是本 课题的来源。 本课题研究将通过变压吸附制氧向内燃机燃烧室注入高浓度的氧气，改善燃烧条 件，来提高发动机功率，并减少污染气体的排放。另外，在高原地区，制氧机还可给工 作人员提供吸氧需求。这是一项先进工业技术，如果研究成功，可以大量节约能源：为 环保提供有效的方法；特别是解决了高原地区缺氧条件下人和机械的工作能力失调等闯 题。 本课题来源于中国建筑研究院北京建筑机械化研究院申报的国家部委直属院所重 点攻关课题工程机械与车辆的排放与节能增效研究。 6 大庆石油学院硕士研究生学位论文 2 1 变压吸附原理简述 第二章变压吸附制氧理论 某种吸附物质的原子或分子在一种多孔固体表面浓聚的现象称为吸附，被吸附的原 子或分子返回到液相或气相的过程，称为解吸。被吸附物质称之为“吸附质”，而具有 多孔的固体表面的吸附相称之为“吸附剂”。按照吸附力性质的不同，可分为物理吸附 和化学吸附。若吸附相分子与吸附剂分子间的结合力属于化学键性质，则为化学吸附。 吸附剂表面的官能团结合一个吸附质分子后，价键即达饱和，因此化学吸附的特点是单 分子层吸附，其规律性明确。化学吸附的附着力强，脱附也难，使吸附剂难以重复使用， 因此其工程意义不如后述之物理吸附重要。若吸附相分子与吸附剂分子间的结合力为范 德华力。则为物理吸附，也称为范德华吸附。这种作用力的强度远小于维系化学吸附的 静电力，因此吸附相与吸附剂的结合不那么牢固，脱附也容易，可逆性好。并且多数的 物理吸附进行的速度很快，吸附平衡瞬间即可达到，在实际应用中吸附剂易于再生，因 此与吸附相关的工程应用多是基于物理吸附，而变压吸附过程都是物理吸附过程。 图2 - 1 变压吸附气体分离基本原理示意图 f i g 2 - 1t h ep r i n c i p l ed i a g r a mo fs e p a r a t i n gt h ei n g r e d i e n t sb yu s i n gp s a 在吸附的过程中，不管吸附力的性质如何，在吸附质与吸附剂充分接触后，最终将 达到动态平衡，吸附量达到最大值，即饱和。在这里“动态”是指在平衡状态下，吸附 与解吸的分子数相等，相当于吸附剂失去了吸附的能力。吸附和解吸同时进行的，只不 过未达到饱和前吸附量大于解吸量而已，吸附和解吸是对立统一的，在一定的条件可以 相互转化。利用这个条件可以达到吸附剂再生的目的。 变压吸附气体分离过程是吸附和脱附交替进行的循环过程。这种吸附具有几个基本 特性：1 ) 同一气程一般利用气体或固体吸附剂的物理吸附作用，通过压力的变化而使混 合气体在吸附剂中吸附。组份在吸附剂上的吸附容量随压力而变化，压力越高，吸附容 量越大；2 ) 同一吸附剂对不同的气体组份的吸附能力不同，即吸附是有选择性的；3 ) 被 7 第二章变压吸附制氧理论 吸附剂吸附的气体在压力降低时可以脱附出来，即吸附是可逆的。 目前此项技术己广泛应用于空气干燥、氮氧分离、氢气的回收和纯化、碳氢化合物 的分离和纯化、合成氨的水煤气中c 0 2 等杂质的脱除以及c 0 2 和c o 的纯化等工业过程。 2 2 变压吸附制氧系统工艺过程 要使分离过程连续不断的进行，必须使吸附剂脱附再生。一般，吸附过程包括两个 步骤：1 ) 吸附：吸附质被吸附；2 ) 再生或脱附：吸附质从吸附剂中分离出来，再生的吸 附剂又在下一轮循环中继续使用，此时进料中所包括的强吸附物质已被除去。常用的吸 附剂再生方法有升温解吸、降压解吸、冲洗解吸、以及真空解吸，从分离方法看主要有 变温吸附( t e m p e r a t u r es w i n g a d s o r p t i o n , r s a ) 和变压吸附( p r e s s u r es w i n g a d s o r p t i o n , p s a ) 循环两种方法。用变温吸附方法分离混合气体设备复杂，且分子筛导热性能较差， 因此循环时间较长，不是有效的方法。变压吸附循环区别其他吸附循环的特征是：在再 生阶段，吸附质的脱附是通过减小总压而不是通过升温或其他方法。在这个循环中通常 采用固定床分离混合气，吸附剂的再生是通过降低总压力来实现的。由于压力能迅速降 低，因此循环时间很短，通常是几分钟甚至几秒钟。 根据解吸方法的不同，变压吸附制氧又分为两种工艺： p s a 工艺：加压吸附他2 o 6 m p o 、常压解吸。投资小、设备简单，但能耗高，适 用于小规模制氧的场合。 v p s a - i - 艺：常压或略高于常压( 0 5 0 k p a ) 下吸附，抽真空解吸。设备相对复杂， 但效率高、能耗低，适用于制氧规模较大的场合。 表2 1p s a 和v is a 制氧装置主要参数比较 t a b 2 - 1c o m p a r i s o na b o u tt h em a i np a r a m e t e r s b e t w e e np s a sd e v i c ea n d v p s a s 工爹 适宜规模吸附压力 解吸k p 压力a m 3 hk p a 氧气纯度 制氧k w l 电耗“m 3 氧气收率 程 一一 p s a ( p r e s s u r es w i n g a d s o r p t i o n ) 是在较亳于常压下吸附和接近常压下冲洗解吸的循 环过程，循环过程进料空气需用压缩机压缩，常应用于医用氧的生产和规模较小的场合， 所用的吸附剂一般为5 a 和1 3 x 沸石。v i s a ( v a c u u mp f e 鹋u r cs w i n g a d s o r p t i o n ) 是在接 近常压下吸附而在抽真空负压再生的过程，循环过程通过鼓风机提供进料空气，适合于 应用高性能吸附剂( 如c a x 和i i x 沸石) ，常压下难于冲洗解吸的空分制氧的场合 ( r u t h v e n ，f a r o o q & k n a e b e l ，1 9 9 4 ；r e g e & y a n g , 1 9 9 7 ) 。 如图2 - 2 所示，变压吸附制氧工艺流程：环境空气经空气过滤器1 被吸入空压机2 压缩到所需的压力，经空气冷却器3 使被压缩的原料空气温度冷却到常温，再通过水分 离器4 除去饱和水，再通过高效除油器5 除去原料气中的油分子，再通过5 a 分子筛填 8 大庆石油学院硕士研究生学位论文 充的干燥器6 进一步干燥，并除去c 0 2 等杂质气，这时从干燥器流出的气体可以看作是 氧气和氮气组成的混合气。假设吸附柱a 吸附，吸附柱b 解吸，电磁阀v 1 开启，v 2 关闭，v 3 关闭，v 4 开启，混合气通过v 1 由下至上进入吸附柱a ，柱a 处于高压状态， 柱a 出口产品富氧一部分通过单向阀v 5 进入氧气平衡器9 ( 相当于富氧供气罐) ，可作 为用户使用的气源。另一部分富氧通过冲洗量调节阀v 7 作为冲洗气，进入处于常压状 态的吸附柱b ，v 4 开启，柱b 冲洗再生后的废气，由v 4 进入消声器，最终排入大气。 电磁阀的开启与关闭由控制系统控制。 1 空气过滤器2 蜗旋式有油压缩机3 空气冷 却器4 水分离器5 超高效除油器6 干燥器7 电磁阀组与其他阀门组8 吸附柱9 氧气平衡 器1 0 消声器1 1 控制系统1 2 流量计 1 鼓风机2 3 ，4 吸附塔5 氧气贮罐6 真空泵 图2 2 p s a 制氧装置图2 - 3 v p s a 制氧装置 f i g 2 - 2p s a d e v i c et op r o d u c eo x y g e n f i g 2 3v p s a d e v i c et op r o d u c eo x y g e n 真空变压吸附工艺流程与变压吸附制氧工艺流程相似，如图2 - 3 所示( 图中环境空气 在进入吸附塔之前的空气净化过滤装置均略去1 。 对于实际的分离过程，还必须考虑空气中的其他微量组份。二氧化碳和水份在通常 的吸附剂上的吸附能力一般要比氮和氧都大得多，可在吸附床内填加合适的吸附剂( 或 利用制氧吸附剂自身) 使其被吸附清除。( r u t h v e n , f a r o o q & k n a e b e l , 1 9 9 4 ；r e g e ，y a n g & q i a n , c ta l2 0 0 1 ) 。 2 3 变压吸附空分制氧理论 2 3 1 变压吸附空分制氧理论的研究进展 变压吸附空分制氧始创于2 0 世纪6 0 年代初( s k a i ：s t r o m ，1 9 6 0 ；g u e t i nd em o n t g a r e n i l & d o m i n e ，1 9 6 4 ) ，并于7 0 年代实现工业化生产。传统的工业空分装置采用深冷精馏法( 简 称深冷法) ，深冷法空分制氧适合于大规模的工业用氧，规模越小能耗越大；年代以 来c a x 和l i x 等高吸附分离性能的沸石分子筛的相继开发利用和工艺流程的改进，变 压吸附空分技术得到迅速的发展，尤其是在不需要高纯氧的中小规模生产中比深冷法更 具有竞争力( c h a o ，1 9 8 9 ；l e a v i t t ，1 9 9 1 ；s m o l a r e k & c a m p b e l l ，1 9 9 0 ；k u m a r , 1 9 9 6 ) 。同时， 9 第二章变压吸附制氧理论 变压吸附空分制氧的生产可以满足每分钟几升的用量( 小规模区医用氧装置) 和每小时数 吨氧的需求( 工业规模装置) ( s m o l a r e k & c a m p b e l l ，1 9 9 0 ；r u t h v e n , f a r o o q & k n a e b e l , 1 9 9 4 ) 。 根据变压吸附原理可知决定变压吸附技术的主要方面是吸附剂的吸附分离性能和 工艺过程。因此，四十年来变压吸附空分制氧技术的研究进展主要表现在两个方面：一 是空分制氧吸附剂和其吸附理论的研究，二是空分制氧工艺循环过程的研究( s i r = r , 1 9 9 4 ； r u t h v e nf a r o o q & k n a e b e l , 1 9 9 4 ) 。 2 3 2 变压吸附吸附剂 吸附剂对物质的吸附通常分为物理吸附和化学吸附，物理吸附的作用力主要是范德 华作用力和静电场力；它比化学键弱得多，一般低于1 0 1 5 k c a l m o l ，所以其过程可以 是可逆的( 杨，1 9 9 1 ) 。变压吸附空分制氧过程中氮和氧的分离是利用吸附剂的物理吸附 分离特性，即利用不同吸附组份在吸附剂孔隙中吸附作用力或吸附速率的不同而达到分 离目的，而且这种吸附能力随气体的压力( 或浓度) 的变化而有明显变化。 在变压吸附空分制氧过程中，气体的压力和流速会随循环步骤的变化而变化，吸附 剂床层中气固和固固之间会产生摩擦，对吸附剂使用寿命会有影响：同时，吸附过程会 释放出热量，而床层温度的升高会降低吸附剂的吸附分离性能，所以床层中吸附剂吸附 产生的热量希望能较多被吸附剂吸收或迅速的传递，减少温度的波动。要保证吸附剂在 变压吸附空分制氧工业应用中有稳定和良好的吸附分离性能，吸附剂需具备以下特性： 1 ) 高的强度；2 ) 良好的耐磨性：3 ) 较大的体积密度；4 ) 较低的晶体间空隙率；5 ) 较高的热 容；6 ) 较大的热传导；7 ) 较低的0 2 吸附容量；8 ) 较小的颗粒尺寸( w a t s o n , a g r a w a , w e b l e y & w e h r m a n , 1 9 9 7 ) 不同的吸附剂满足上述要求的程度各有不同，不同的吸附剂对不同的气体的选择吸 附能力是不同的，因此不同的吸附剂有不同的工业用途。活性炭可用于溶剂蒸汽的回收、 烃类气体的分馏、各种油品和糖液的脱色、水的净化等方面；硅胶具有较高的化学稳定 性和热稳定性，它主要用于气体脱水以及烃类的分离等：活性氧化铝对水分子有很强的 吸附能力，所以主要用于气体和液体的干燥：沸石分子筛是一种人工合成的无机吸附剂， 变压吸附分离空气制氧过程中所用的吸附剂以沸石分子筛为主。至今，沸石分子筛的种 类已经不下1 0 0 种，但它们有以下共同特点：1 洧极强的吸附选择性，因为沸石分子筛 的孔径大小比较均匀，所以只能吸附小于其孔径的分子，此外，沸石分子筛是一种离子 型极性吸附剂，它对极性分子，特别是水分子有极大的亲和力，容易吸附，而氢分子是 非极性分子，它虽然可以通过孔口进入孔穴，但是却不易被吸附，仍会从沸石分子筛的 孔口逸出；2 ) 具有较大的吸附能力，这是因为沸石分子筛的表面积大于一般的吸附剂。 2 3 3 空分制氧理论及数学建模 变压吸附空分制氧包括p s a 和v i s a 循环过程，两种循环过程是由一系列基本步 骤组成，而且不同空分制氧过程可能有不同的循环步骤，这些步骤使不同吸附塔之间相 互关联，使床层得到有效的吸附和再生。 大庆石油学院硕士研究生学位论文 a d s o n , t i o np r e s s u r e k p a 图2 - 4 空气中氮在5 a 沸石中的吸附等温线 f i g 2 - 4i s o t h e r m so f n 2 i nt h ea i ra t5 a z e o l i t e a d s o r p t i o np r e s s u r e k p a 图2 - 5 空气中氧在5 a 沸石中的吸附等温线 f i g 2 5i s o t h e r m so f 0 2i nt h ea i r 砒5 a z e o l i t e 变压吸附气体分离过程是一个动态过程，描述其动态过程的行为是偏微分方程组构 成的模型，操作性能和参数之间为复杂的非线性关系，实验研究与数学模拟均不简单， 工作量大，所以变压吸附气体分离技术存在着商业开发领先于理论研究的问题。对它的 理论研究远不如变温吸附过程深入，尤其对多组份、多吸附剂、非线性吸附等温线、非 等温和非平衡吸附的变压吸附过程的理论研究较为缺乏，不能适应工业应用的要求。采 用计算机数值模拟计算的方法，研究变压吸附过程的动态行为，揭示操作参数和过程性 能之间的关系对于指导试验工作，进行过程优化设计有着重要的意义1 3 1 1 4 1 5 l 6 1 。 吸附剂性能的改进和工艺过程的优化一直是变压吸附技术研究的重点。目前，变压 吸附工艺条件优化的砑究主要是通过实验和过程模拟相结合来实现。模拟空分制氧循环 1 1 第二章变压吸附制氧理论 过程的数学模型中对床层温度变化的考虑一般采用3 种方式：等温状态、绝热状态和非 等温状态。然而还没有比较这3 种方式的文献。 氮、氧在2 0 和3 5 下的吸附等温线见图2 - 4 和图2 - 5 。 本文根据文献采用一次均压和抽空后冲洗再生的两床v p s a 空分制氧过程并采用 六步循环，其中吸附压力为1 5 0 k p a 和l l o k p a ，脱附终压为2 0 k p a ；其步骤时间配置如 表2 2 所示。 表2 - 2 两床v p s a 空分制氧过程循环步骤及时间 旦垒：兰：兰曼z 盟! 兰g 旦! 垩! 宝竺壁! 堡! ! 翌12 1 里坠墅! q 2 巴塑 床层1f p ( 5 s )a d ( 1 0 - 1 5 s ) d p e ( 5 s ) d p ( 1 0 - 1 5 s ) p g ( 5 s ) p p e ( 5 s ) 床层2d p ( 1 0 - 1 5 s ) p g ( 5 s ) p p e ( 5 s ) f p ( 5 s )a d 0 0 - 1 5 s ) d p e (