固定床吸附分离C_8芳烃的数学模型.pdf

第期 年 化工学报 三 蚝 洲女 固定床吸附分离芳烃的数学模型 劳妙珍叶振华 华南工学院化学工程研究所 提要 以自制和进口型合成沸石在室温下液相吸附分离对二甲苯 一乙苯二元体系 研究固定床吸附分 离 芳烃的数学模型 数模中的传质速率方程用总传质系数表征其传质特点 结合相平衡和物料衡算 方程 进行数值积分 得到的理论透过曲线与实验曲线相近 为了进一步探索吸附过程动力学和传质 机理 对液相控制 固相控制和固液相联合控制三种数学模型进行了初步探索和比较 发现固相控制 模型更适合本研究体系 一 前 一 口 随着模拟移动床技术和 电子计算机应用于芳烃吸附分离大规模生产合成纤维聚酷原料 对二甲苯 人们进行了大量 的数学模型研究工作 主要从吸附动力学的角度研究 芳烃异构 体在合成沸石上的传质机理 作为选择吸附剂 进行最优化操作和设计的依据 各种数学模型 的差异主要集中在溶质扩散机理上 根据不同的机理可以划分为液相外扩 散控制 液相孔扩散控制 固相 扩散控 制 表面扩散控制 轴向扩散控制及其 中两种或 两种 以上传质阻力联合控制的数学模型 关于吸附过程是孔扩散或 固相扩散控制的报道较多 年 研究了恒定模式 下优 惠的吸附平衡等温线的固相扩散 或孔一表面扩散 相结合的透过曲线 并得数值解 年和 等进一步研究了各种传质 阻力相结合的固定床透过曲线 并考虑到液相 阻力的综合影响 了年 等 用表 观 传质系数的基本方程表达芳烃吸 附分离过程 年 报道了用短柱测定总 传质系数 并简述 了求解数学模型 的方法 本研究是在过去相平衡和动力学研究基础上进行的 有关相平衡和总传质系数的数据见 参考 文献 二 实验透过曲线 在固定床长柱上进行吸 附与解吸实验 测定流出液中溶质浓度随时间变化 的透过曲线 实验设备见图 吸附柱内径 柱长 沿不同柱长有五个取样口 吸附柱外 的保温夹套用超级恒温水浴控制水温在 吸附柱顶部有一形管 价以保 持柱内的液面恒定 实验 中要保持进料流量恒定 一般取左右 流出液体浓度用型气相 色谱 年月 日收到 年 峨月 日收到修改稿 第期固定床吸附分离 芳烃的数学模型 表总传质系数模型计算用基本参致 丫 女之二黔 分翰 火凳 左 万 产 左 一 备注 川川 一 一 材 刀 一 创 工一 自制吸附镇蕊一 卫 口 一卜 续 一 一 进口吸附 一 一 吧 七 一 乙 表液相控制 固相控制和固液相联合控制三种数学模型计算用甚本参数 二 蕊 一谬 口件 于 舀月二 习二 刀丁 左 左 左 公杠 区 赴 一 飞毛一孟 功 一 川 一 一 进口 吸附 解吸 狗 默 一 一 百知 且 口 仪分析 色谱分析操作条件 柱温 载气气 气流速度 热导池桥 流 纸速 色谱柱 内径价 长 用一目担体 固定液邻 苯二 甲酸二壬醋有机皂土担体二 实验条件与物性参数见表和表 测得 的实验透过曲线见各有关图线 三 用总传质系数表征的数学模型 理论模型及其偏微分方程组 假设吸附过程没有化学变化 进料的流量 和组成恒定 流体通过床层呈 活塞流 没有 径向浓度分布和轴向返混 则吸附柱的物料衡 算方程连续性方程 二 才 二 户 万 图 传质扩散阻力用总传质系数表示 质速率方程 若 一针头进气孔 则传 柱一溢流液瓶 透过 曲线实验装置简图 一原料或解吸 剂瓶一吸附 一取样口一接样瓶一超 级 恒 温水浴 一 二 一二份 万 化 工 学报年 在动力学研究中 用微分吸 附柱测得总传质系数是 的函数 即 今 一 为简化计算 相平衡关系式用线性等温线方程表示 即 一 另 线性回归相关系数为 一 哪 劣 与实验最大偏差为 一 一 一 吸附剂 输输入数据认 吞 双双 衅 扁 检检检检检检检检检检检检检检检检检检检验验 进进行积分计算毛 从从从收敛性性 理理论模型型 穿穿透曲线线 打打印工 设 一夕三 一 一鱼 一 几 了 一二 汁 图总传质系数模型计算框图 叮 几 简化后 数学模型为 鲁 十 鲁 鲁一 鲁 一凡 二 一 二 吸 初始条件和边界条件为 吸附阶段 对 云 对云 对 名 梦 二 忍 砂 了进月 解吸阶段 对 云 对 对 君 一务 一 月少 第期固定床吸附分离芳烃的数学模型 其中 二 一 条 口一乡 一 丫份 数学模型 的数值积分 将下列有限差分代入一 君 式 一 云 郊 民心 玄上 袱 心 一么 图自制合成沸石吸附分离对二 甲苯与乙苯 的透过曲线总传质系数模型 实验数据点一对二甲苯一乙苯 二 川 透过曲线 对二甲苯 一 乙苯 图进口合成沸石吸附分离对二甲苯与 乙苯的透过曲线 总传质系数模型 实验数据点大一对二甲苯一乙苯 透过曲线 对二甲苯 一乙苯 一 名 云一卿 云 螂 匹拉 鱼全 活 一 卜 经整理用左偏心显式差分法 在 一 型 电子计算机上进行计算 计算框图见图 得到 一定床层高度流出液的溶质浓度随时间变化的 计算透过曲线 计算结 果见 图一 图中的数 月 了 一 作 一 瓜瓜 九九一 刀 一 一 一 一 一 二 一 片 图 的数值积分计算网络 据点为实验数据点 曲线为计算取得 计算所用的基本参数见表 数值积分计算网络见图 气 年 数值积分计算中步长 的选取直接影响结果 的收敛性 精度 和计算的时耗 计算 中选用步 长般取 少 四 液相控制 固相控制和固液相联合控制三种数学模型的 综述和计算 三种模型 的主要差别 液相控制模型认为液相外扩散是起控制作用的 而 固相内的浓度梯度可忽略 把液相 界面浓度兀 看作与固相平均浓度 成平衡 固相控制模型认为颗粒相 内溶质 的扩散阻力起控制作用 可忽略溶质在液相内的浓度 梯度 把固相界面上的浓度 看作与液相 中平均浓度构成平衡 固液相联合控制固相与液相传质 阻力的影响都不能忽略 由于传质机理不 同 其传质速率方程也相应发生变化 详见附录 理论模型 的其它假设 条件与上述总传质系数为基础 的模型基本相 同 物料衡算方程为 乡票 一 普 鲁 一 速率方程为 器 一 音 一 一 一 一 型吸 附相平衡等温线 式化为无 因次方程 则得 乙 一层 一 一鬃 气 十 乙 声刁 一 川 一一一丈二生一一一一 一 其中 云 二二二 尹二 一 弓奋 一了亨一 口 一 川 一一 一 一一 第期 固定床吸附分离偏芳烃的数学模型 万 一 立止 护 一一一一 二一了丫灭 于 气乙 了 户 口 吸沙 一 二犷丁 日 滋劣 护 乙 十 尸戈 劣了 初始条件和边界条件为 吸附阶段 口 解吸阶段 二 进行数值积分 用 年提出的三阶特征算法进行数值积 分 乍 夕 二 夕一 一一 夕一 一 乙 里兰 丝上 至 立 仁 巫二上互 一竺卫 飞 夕 梦 二 一 萝 一一 一 一 乙 一 一 口 二 一 琴 丝望荟弈 一些 场了 石 行 一 旦区乏 竺 匕丝 一 仁 一 鲜 一 一 梦 甲 二 闷些旦 丝 兰左五丝这 全玉 一 丝二工 下 万 一 火 体口任口 巧 少 一 口 一 一 口 一 化工学报年 夕 夕一 卜 等 鱼 业潇 一竺 十 卫迎箫丝 些翁竺 一二 夕 一 粤 卫 兰二更气竺二丝 卫 业豁匕竺 气 之口 伪口 二 叭 哟飞 尽 先按一式计算 再用一式进行第二次计算 对 点 吐 狄 川川洲洲 州冲日 日 图液相控制 固液相联合控制模型的理论透过曲线 一液相控制一固液相联合控制 对二甲苯 一乙苯 或 歹 卜 分别用 一式按辛普生规则修正 数值积分计算网络见 图 液相控制和固液相联合控制模型用电子计算机算出的理论透 过曲线与实验结果相差较大见 图 不适合本研究体系 下面只就固相控 制模型进 行讨 论 固相控制模型用 电子计算机计算的结果见 图 步长一般取乙日 乙一 五 实验与理论计算所得透过曲线的比较 从 图一和 图看 出 实验结果与理论计算结果相近 但固相控制模型计算的开始透过 时间和完全流干时 间都比实验值推后 吸 附和解吸均 如此 由此可见 各组分之间的干涉和 流动相通过床层时 的轴向扩散对实验透过曲线造成一定的影响 总 的说来 在吸附开始阶段 实验的结果与总传质系数模型计算的结果较接近 而与固 第朋固定床吸附分离 芳烃的数学模型 多 一 一一 一一一 一 一 一 一 一 洲 一一一 一 一 一 叫 二少 尸 协 头 一 阵 日门曰曰厂 口 从 口 了七 几 伙 跳 吠 狄 丫 咋 上 叮妇 甘八 功 一及石 翁喘台兹愉 吸附解吸 图进口合成 沸石吸附分 离对二甲苯与乙苯的透过 曲线固相扩散控制模型 实脸数据点一对二甲苯一乙苯 二 透过曲线 对二甲苯 一乙苯 尸 肠 粉辫寸 若 产 乎 若 刃才 甘洲服 独 帆丫 叭 公卜 矛 巨弘 仄仗 犷斌斌 户 一一二 喇 图 全 关系曲线图 火一吸附 解吸 二 一解吸 二 图不同柱高的实验透过曲线 透过曲线 柱长 二 柱长 也实验数据点 一对二甲苯 一乙苯 异辛烷 相控制模型计算结果差别大些 随着吸附过程的进行 实验值与固相控 制模型的结果接近 这说明石吸附开始阶段不完全是固相控制 因吸附过程的发展 固相控制的因素越来 越显 著 在解吸阶段后期 实验与理论计算结果的差别增大 这和总传质系数 对 如 的关系 曲线中有失变点的存在有关见图 在 小的阶段不完全是固相 扩散控制区 而在 突 一 了 化工学报年 变点以上至接近饱和时则是固相扩散控制 从图可见 柱高和柱高所得的透过 曲线形状非常类似 证明此体系具有恒定模式的特性 六 结论 实验结 果与液 相控 制 固相控制和 固液相联合控制三种模型的理论透过曲 线比较 其结果表 明 本研究体系接近于 固相扩散控制 柱高和所得的实验透过曲线形状相似 说 明本体系具有恒定模式 的特性 在理论解中没有考虑各组分 的干涉 轴向扩散和径向浓度分布的影响 因而所得理 论透过曲线和实验结 果有一定 的差异 本文计算工作得 到岳阳化工总厂设计 院 电算组谢仲瑜 李国成 汤希才 赵荣 刚和杨遇 春等同志的协助 在此一并表示衷心感谢 符号说明 丹 常数 吸附相平衡常数 液相 浓度 打 无因次距离参数 或为 液相浓度 二 与吸 附相成平衡的液相浓度 一万一 侧飞厂一一 丁灭 乙 气乙 一 如一一吸 附相平衡常数 液相传质系数 一 气 总传质系数 一 一止生 吸附相无因次浓度 吸附相浓度 床层 高度参数 一几 床层间隙率 匆 固相传质系数 田 一 丑 传质速度常数 匆 叮 左一 召 柱长 相平衡常数 相平衡常数 组分数 口 穿 和蜘 选择吸附容量和饱和吸附容量 吸附剂 一一时间 温度 流速 兰 二 立 一 华 一 李 的一无 因次时间参 数 艺 了 西一公 组分无因次液相 传质系数 右卜 粤一 组分无 因次固相传质系数 口 一 示一液相 无因次浓度 瓦 液相平均密度 吸附剂床层密度 上标和下标 初始状态 和少 组分 界面上 组分 固相吸附相 液 相 第期 固定床吸附分离 芳烃 的数学模型声 参考文献 姗 民 一 哪 妞 召 云诬 咐 君 护 户 石 期 一 铭 劳妙珍 谢侃生 刘民辉 叶振华 石油化工 附录 附录三种数学模型简介表 笠制类型 型液相控制制固相控制制固液相联合控制制 模模型方程 连连续性方程程 灭 占占占万厂 万万万可 厂丽 石万 一一石 万二 速速率方程程 鲁 一 鲁 一毫 鲁 一勤 了一 一 一 一 十 屯 一 乙 一 一一二哥 一 一 乙 尹尹尹 乙 劣 一一 一二二三一 一 一一 一 子子 夕 一 月月 兄 乙 一 乙 戈 乙 戈 戈 一 乙 一 吸附 解吸 吸附 解吸 吸附