抽放煤层气变压吸附过程的数学模拟.pdf

文章编号 0253 9993 2001 03 0323 04 抽放煤层气变压吸附过程的数学模拟 辜敏1 陈昌国2 鲜学福2 1 汕头大学 化学系 广东 汕头515063 2 重庆大学 采矿工程系 重庆400044 摘要 建立了变压吸附过程的非等速 非线性等温平衡模型 并对浓缩抽放煤层气中 CH4的变 压吸附过程循环进行了数值模拟 理论计算结果与实测数据相符 表明本模型是适用的 利用该 模型详细讨论了吸附柱内 CH4的浓度分布 关键词 抽放煤层气 变压吸附 浓缩 CH4 数学模拟 中图分类号 P618 11 O647 31文献标识码 A 收稿日期 2000 11 14 基金项目 教育部春晖计划专项基金资助项目 教外司留 1999 95 号 并得到汕头大学工业催化学科 211 工程建设项目资助 变压吸附 PSA 法是有效的气体分离技术 已经广泛用于各领域 1 8 由于 PSA 过程复杂多变 操作 参数往往相互耦合 难以直观地得出变量对分离的影响 2 3 如何模拟 PSA 过程的柱动态学过程 对操作 参数的最优选择和控制及吸附柱的最优设计都有着重要意义 4 6 尽管已经提出了不少变压吸附的数学模 型 但还远不能满足实际需要 我国是产煤大国 煤层气资源十分丰富 开发煤矿煤层气的利用有着深远 意义 但对分离提纯抽放煤层气 预净化后的抽放煤层气可看成主要是 CH4 N2的混合气体 7 中 CH4的 PSA 过程的理论研究还很缺乏 笔者采用非等速 非线性的等温平衡模型对 PSA 过程的几个阶段进行了模 拟 对实验结果进行预测 并对吸附柱内 CH4浓度沿床层高度的分布情况进行了讨论 以便为煤层气的 PSA 过程的开发应用提供设计和优化的基本条件 为计算机的仿真技术优选系统的最佳操作参数提供理论 依据 该模型可以推广到其它大吸附量的 PSA 分离过程 1变压吸附过程的数学模型 对于分离提纯 CH4 N2中的强吸附组分 CH4 产品组分 CH4是在吸附阶段于吸附剂上浓缩 并在解吸阶 段获得的 因而 如何增大 CH4在吸附相中的浓度以及所采用的解吸手段是关键 据此 设置的 PSA 整个 过程包括 5 个基本步骤 1 充压 2 吸附 3 并流减压 4 逆流减压 5 抽真空 以活性炭作为 吸附塔的填料 对于用活性炭的二组分 PSA 分离 传质阻力并不重要 用平衡模型就能充分预测分离结 果 4 因此本文建立了 CH4 N2体系的非线性等温吸附方程 局部平衡模型 EQ 以模拟 CH4 N2 活性炭 体系的整个 PSA 分离过程 预测 CH4浓度随时间及其在吸附柱内的变化 模型方程组结合各自步骤的边界 条件进行数值求解 即可得到不同时间柱内的浓度分布 在建立吸附柱动态模型行为的数学模型时 应用了下述假设 气体服从理想气体定律 忽略由于 轴向返混引起的浓度和温度变化 在吸附柱的半径方向 不存在浓度和温度的梯度 采用局部平衡模 型 EQ 并假设吸附柱内主体流和吸附相之间任意时间内能达瞬时平衡 在等温条件下 平衡吸附量是 总压力 p 和组成 yi的函数 忽略吸附柱内的压力降 忽略吸附柱内的温度变化 基本方程由物料衡 算方程 传质方程和吸附等温方程组成 1 物料衡算 uci z ci t 1 qi t 0 1 第 26 卷第 3 期煤炭学报 Vol 26No 3 2001 年6 月 JOURNAL OF CHINA COAL SOCIETY June2001 吸附柱的总物料平衡为 uc z c t 1 n j 1 qj t 0 j 1 2 n 2 式中 u 为空塔流速 cm s 以进料方向流动时为正 为吸附柱填充空隙率 c 为在总体流动中的气相浓 度 mol cm3 q 为吸附相浓度 mol cm3 i 为组分 本文为 CH4 和 N2 n 为组分数 t 为时间 s z 为离吸 附柱进料端的距离 cm 2 吸附等温方程 对于 N2 CH4在 T103 活性炭上的吸附 吸附平衡满足多组分的 Langmuir 方程 q i qmibipyi 1 bipyi q t qi 3 式中 qi 为吸附量 cm3 g qi 在应用于模型时要进行单位换算 p 为总压 Pa qt 为吸附总量 cm 3 g yi 为组分的气相浓度 qmi为 Langmuir 参数 cm3 g b 为 Langmuir 参数 早期的模型大都用线性等温吸附方程 从线性到非线性 就其起因来看 往往只是一些数量的变化 但就其结果而言 两者之间往往会表现出质的区别 9 3 传质方程速率方程以局部平衡表示 qi t q i t q i p p t q i yi yi t 4 式中 q 为吸附相的平衡浓度 mol cm 3 方程 1 4 构成了描述吸附过程动态行为的数学模型 应用假设 有下式成立 即 c p RT c i pyi RT 5 式中 R 为气体常数 T 为温度 K 将式 5 代入式 2 得 u z p p t 1 RT p n j 1 qj t 6 由式 6 结合式 2 得到本模型的控制方程为 p RT yi t up RT yi z 1 y i n j 1 qj t 1 qi t 0 7 采用向后差分法求解吸附柱动态数学模型 计算程序用 QBASIC45 语言编写 计算工作在联想 586 计算 机上进行 进行数值解时 时间步长为 0 2 s 距离步长为 2 cm 具体解法如下 首先由方程 7 解出每一 时间步长和距离步长的 yi t 值 再由此值代入式 6 积分得到每一时间和位置的流速 方程 7 中的 系数由吸附柱参数 吸附等温线 压力变化曲线及前一时间步骤的条件得到 吸附柱的特征参数 CH4和 N2 在活性炭上的吸附平衡常数见表 1 7 表 1 PSA 工艺的主要参数 Table 1The characteristics for PSA process 吸附柱长度 cm 吸附柱内径 cm 柱内吸附剂量 g 填充密度 g cm 3 空隙率 吸附常数 qm cm3 g 1 b 100 04 0820 30 6530 395 110 3 CH4 68 7 N2 1 034 CH4 0 572 N2 吸附柱的初始条件yN 2 0 z 0 yCH4 0 z 0 吸附柱的边界条件步骤 1 用原料气进料 yCH 4 t 0 yf y N2 t 0 yf u t 0 uf p pf 步骤 2 吸附阶段 yCH 4 t 0 yf y N2 t 0 yf u t 0 uf p pf 步骤 3 并流减压 吸附柱进料端关闭 423煤炭学报2001 年第 26 卷 图 1 PSA 实验装置 Fig 1Test apparatus for PSA for gas separation 配气系统 PSA 分离系统 A B C 高压钢瓶 D 封闭容器 H 吸附柱 1 减压阀 2 10 14 转 子流量计 3 11 15 16 取样口 4 8 12 电磁阀 6 压力真空表 17 阀门 18 真空泵 由产品端出气 有 u z 0 t 0 p p t yi zz 0 0 i CH4 N 2 步骤 4 5 逆流减压和抽真 空 产品端关闭 由进料端放气 故有 u z l t 0 p p t yi tz l 0 i CH4 N 2 其中 l 为吸 附柱总高度 cm 下标 f 为进料 2数学模拟结果与讨论 2 1PSA 循环中出塔气 CH4随时间的变化 PSA 法分离 CH4 N2混和气的实验装置如图 1 所 示 实验测得了吸附塔出口 CH4浓度随时间变化的 数据 7 用上述模型进行计算 其结果与实验数据 拟合情况基本吻合 如图 2 所示 2 2PSA 循环中气相浓度在床层中的分布 由模拟计算 CH4 N2 50 50 得出 在 PSA 循环中 吸附塔内气相浓度沿床层的分布情况如图 3 所 图 2 CH4 N2体系流出物浓度的实验和 模拟计算值的比较及 PSA 过程压力变化 Fig 2Comparison of effluent concentration between experimental and predicted results for CH4 N2mixture and pressure history 实验原料气组成 CH4为 31 08 o 实验值 理论值 图 3各步骤结束时气相 CH 4浓度在吸附柱内的分布 Fig 3Distribution of the CH4gas phase concentration in bed at the end of various steps 1 充压 2 吸附 3 并流减压 4 逆流减压 5 抽真空 示 由图 3 可见 当吸附阶段结束时 吸附塔内 CH4气相浓度与进料气浓度相同 CH4浓度波在吸附塔的覆 盖程度与吸附压力 吸附时间及进料速度有关 它决定了减压步骤气相 CH4浓度波的覆盖程度及其产品的 回收率 并流减压结束时 进料端 CH4气相浓度增加很大 这是因为 一方面 排气端放出了大量的 N2 另 一方面 减压使吸附富集在吸附剂上的 CH4解吸 逆向减压步骤包括逆流减压和抽真空步骤 它们是产品 步骤 从进料端得到高浓度的 CH4 抽真空时 产品浓度有波动 建议增加产品罐以减少其波动 8 从图 3 还可以看到 CH4浓度波不陡峭 这严重影响了 CH4浓度波在吸附柱内的覆盖程度 大大降低 了 CH4的分离效果 就其根本原因在于 CH4 和 N2在活性炭上的吸附性质太为接近 7 这也是 CH4 N2体系 难以分离的主要原因所在 结合 Langmuir 方程很容易得到固相 CH4浓度在吸附柱中的分布情况 模拟计算 的结果是 在 PSA 过程中每个步骤 固相 CH4浓度的变化规律 在吸附柱中的覆盖情况 与气相的一致 只是数值上有所差别 如在充压和吸附阶段 CH4在固相中得到浓缩 其浓度值远高于气相中的浓度 而在 523第 3 期辜敏等 抽放煤层气变压吸附过程的数学模拟 解吸阶段 固相中的 CH4浓度随压力的减少而降低 以上结论都是符合混合气的吸附和解吸规律的 表明 模型是适用的 此外 由模型还可得到吸附柱内和吸附柱出口端流速的变化 本模型的计算结果与文献 6 一致 在 此从略 3结论 1 所建立的平衡模型能够较好地预测所有 CH4 N2在活性炭上重要的 PSA 循环特征 表明模型是适 用于该体系的 本模拟方法可用于两个组分都是产品的大吸附量分离的体系 2 以活性炭作为吸附剂的 PSA 技术可以提高抽放煤层气中 CH4的浓度 但要使纯度提高增大 应该 选用 CH4和 N2吸附性质相差大的吸附剂 或者改变 PSA 的循环步骤 参考文献 1 R T 杨 吸附法气体分离 M 王树森 曾美云 胡竞民 译 北京 化学出版社 1991 2 Lu Z P Loureiro J M Rodrigues A E et al Simulation of a three step one column pressure swing adsorption process J AIChE J 1993 39 9 1 483 1 496 3 Kapoor A Yang R T Optimization of a process swing adsorption cycle J Ind Eng Chem Res 1988 27 204 206 4 Doong S J Yang R T Bulk separation of multicomponent gas mixtures by pressure swing adsorption pore surface diffusion and equi librium models J AIChE J 1986 32 3 397 409 5 Cen P L Yang R T Separation of binary gas mixture into two high purity products by new pressure swing adsorption J Separation Sci Tech 1986 21 9 845 864 6 朱大方 变压吸附循环稳定状态的模拟 J 天然气化工 1995 20 1 27 33 7 辜敏 提高抽放煤层气甲烷浓度的变压吸附技术基础研究 D 重庆 重庆大学 2000 8 叶振华 化工吸附分离过程 M 北京 中国石化出版社 1992 9 林炳昌 非线性色谱数学模型理论基础 M 北京 科学出版社 1994 作者简介 辜敏 1969 女 四川乐山人 博士 讲师 现在从事分析化学和电化学的研究工作 Numerical simulation of pressure swing adsorption processes for coal bed gas extracted GU Min1 CHEN Chang guo2 XIAN Xue fu2 1 Department of Chemistry Shantou University Shantou515063 China 2 Department of Mining Engineering Chongqing University Chongqing 400044 China Abstract A equilibrium mathematical model with non constant flow and nonlinear isotherm was developed for the bulk separation of the extracted coal bed gas The predicted