利用ASPEN-ADSIM模拟变压吸附分离过程

第3期 变压吸附气体分离技术广泛应用于气体分离 与纯化过程中。 分离过程中使用的固体吸附剂具有 下列性质：（1） 对混合气体中的某组分或者某些组 分具有选择吸附性；（2） 吸附剂对气体的吸附量随 压力变化有明显变化，即在气体分压降低时，被吸 附的气体能够解吸。 利用其性质将混合气体中的易 吸附组分截留，使混合气体得到分离。 变压吸附分 离过程由吸附，降压，解吸，升压等基本步骤组成， 为改善分离过程的分离效果和回收率等，还需要很 多的辅助步骤。 变压吸附分离过程原理简单、控制 方便、自动化程度高，能量消耗低等优点，因此在工 业上得到广泛的运用1。 通过计算机模拟的方法描 述化工分离或者反应过程，解释过程中现象，甚至 直接利用模拟的结果辅助工业设计和优化，一直是 化工过程研究的一个非常有效的手段。 本文结合变 压吸附分离的基本原理，利用国际知名化工流程模 拟软件ASPEN ADSIM， 通过对变压吸附分离过程 中塔内吸附动态进行模拟，很好的解释了常见变压 吸附过程的塔内的分离原理。 1模型模拟-方法和设置 1.1模拟的软件和模拟对象说明 模拟借助的软件为ASPEN 11.1中ADSIM组 件， 该组件专门为模拟吸着分离过程而开发的，能 够模拟一些气体、 液体混合组分的吸附分离过程， 也能模拟离子交换的过程2。 本文的模拟都以简化 的模型进行，力求与实际过程充分接近。分别以A、 B、C代表混合气体中的轻组分、中间组分、重组分， 假设气体为理想气体。 设置的吸附塔尺寸为：D= 1.0m，H=5m。 通过模拟变压吸附过程中塔内吸附剂 对不同组分的吸附量的动态变化过程，描述整个过 程中的每一步的塔内的吸附动态。 1.2模拟过程中的数学原理 1.2.1过程中的偏微分方程解法 模拟过程的偏微分方程的发散方法采用Up- wind Differencing Scheme 1( UDS1)，即为一阶上风 差分法，基于一阶泰勒展式推导的，传统形式2： 将吸附塔沿塔长离散成200个节点，每两个节 点之间的距离为0.025m，能够满足模拟中的精度要 求。 1.2.2吸附塔内动量和质量的传递计算 假设气体在吸附塔内的流动遵循活塞流，径向 浓度相同，轴向没有扩散。 气流穿过吸附床层的阻 力降由欧根（Ergun）方程计算，方程如下2-4： 气相和固相的传质利用线性阻力模型来描述，利 用一个总的传质系数代表气固两相之间的传质阻 收稿日期：2008-12-15;基金项目：天津市科技支撑项目（批 准号2009F3-0005）；作者简介：何东荣(1985-)，男，硕士研究 生； * 联系人：张东辉，副研究员，电电邮 donghuizhang。 利用 ASPEN-ADSIM模拟变压吸附分离过程 何东荣 1，周向辉2，张东辉1 （1.天津大学化工学院化学工程研究所，化学工程联合国家重点实验室，天津300072； 2.吉林油田公司，吉林 松原市132000） 摘要：参照变压吸附气固相平衡图，利用ASPEN ADSIM流程模拟软件建立一个虚拟的三组分体系单塔变压吸附分离模 拟模型。 模型模拟得到了塔内气相组成、出口浓度、塔的压力状态等的动态结果，揭示了在升压、吸附、降压、冲洗等步骤中吸附 塔内气相的变化过程，很好的描述了变压吸附分离过程。 该模型通过结合具体物性参数，能够为实际工程分离方案选择、步骤 设计提供模拟和预测。 关键词：变压吸附；PSA；气体分离；动态模拟；ASPEN ADSIM 中图分类号：O 647.3文献标识码：A文章编号：1001-9219(2009)-03-11-05 （1） （2） 何东荣等：利用ASPEN-ADSIM模拟变压吸附分离过程11 天然气化工2009年第34卷 力，传递过程中没有积累，传递速率等于吸附速率。 方程如下所示： 气体在整个吸附塔内的物料恒算方程如下： 根据物料守恒，吸附塔内气相的积累加上固相的积 累满足： 对于任何一种组分，都可以用下面公式计算他 的物料恒算2，3： 其中： 轴向扩散的对传质的贡献： 径向扩散的贡献： 对流传质： 气相的积累： 从气相往固相表面传递的速率： 所有的贡献加起来就得到总的物料衡算式，实 际情况中根据贡献相对大小做出合理的简化，使运 算变得更加简单。 1.2.3吸附等温线形式 该模拟模型的目的是为了说明利用吸附剂对 三种组分的不同吸附性能， 将3种组分分离的过 程。 所以假定气体与吸附剂之间的吸附平衡模型为 亨利模型，即： 1.2.4其他假设和参数设置 同时假定吸附过程在等温情况下进行，吸附过 程中不存在气固反应。 具体各参数设置见表1。 1.3模拟过程说明 图1所示是模拟所用的模块流程图。 如图2， 工业过程中的吸附分离相平衡原理已 经详细的说明， 实际的分离过程就是A-B-C-D-E-A 这样循环的进行的。 上述理论的分离步骤简单介绍 如下1（注：吸附塔的入口端指原料气入口，出口端 指轻组分产品出口）： A-B吸附过程： 混合气体在升高压力的情况 下，通入吸附塔。 吸附塔中的吸附剂对混合气体中 吸附组分的平衡吸附量为q3。 因此，混合气中易吸 附组分与吸附剂接触并被被吸留，吸附塔中的吸附 剂沿着气体流动方向逐渐吸附饱和，形成一个浓度 波向前推进，大部分轻组分由塔的出口端流出。 当 浓度波推进到塔中间某处，就停止吸附了，因为需 要预留一部分的吸附剂床层用于顺向降压过程。 （7） （3） （4） （5） （6） （8） （9） （10） （11） 表1模拟模型中吸附塔有关的主要参数设置 Table 1Variables of the adsorption column in the model Variables Hb /m Db/m Ei /m3（void） m-3（bed） Ep /m3（void） m-3（bed） RHOs /kgm-3 Rp /m SFac MTC(C) /s-1 MTC(B) /s-1 MTC(A) /s-1 IP(1,C) /kmolkg-110-5Pa-1 IP(1,B) /kmolkg-110-5Pa-1 IP(1,A) /kmolkg-110-5Pa-1 Values 5.0 1.0 0.42 0.21 592.0 1.0e-3 1.0 0.08 0.08 0.08 0.005 5.0e-4 5.0e-5 Description Height of adsorbent layer Internal diameter of adsorbent layer Inter-particle voidage Intra-particle voidage Bulk solid density of adsorbent Adsorbent particle radius Adsorbent shape factor Constant mass transfer coefficients Constant mass transfer coefficients Constant mass transfer coefficients Isotherm parameter Isotherm parameter Isotherm parameter 表2模拟中的原料气给定变量 Table 2Fixed variables of the feed gas in the model Feed gas composition ( molar fraction) ABC 298.1510.0020.33330.33330.3333 T /KP / 105Pa 图1模拟所用的模块流程图 Fig.1The flow chart of the model 12 第3期 B-C顺放过程： 该过程用于提供均压气体和冲 洗气源，为了保证这些气源的纯度，吸附过程预留 了一段吸附剂床层吸附由于压力降低而解吸的易 吸附气体。 浓度波继续向前推进，到了床层出口端 停止该步骤。 C-D逆放过程： 该步骤用于放出解吸的重组分 气体。 由于压力降低，被吸附的重组分气体解吸，从 吸附塔的入口端放出。 D-E冲洗过程： 该步骤用于进一步降低重组分 气体在吸附塔内的分压，使其充分解吸，并且将解 吸的重组分吹扫出吸附塔，使吸附剂再生。 该步骤 出现浓度波由吸附塔的出口端往入口端移动的现 象。 E-A升压过程： 利用较为干净的轻组分气体从 塔的出口端进行升压， 升压气源是先由其他塔C-D 顺放提供，最终升压是由轻组分产品气提供，这样 既能保证轻组分的出口浓度，也能回收部分高压气 体的压力能。 根据上面基本原理，建立了一个3组分变压吸附 分离模型，研究塔内浓度波的移动情况。 2模拟结果与讨论 2.1吸附过程 图3中的A、B、C分别为轻组分、中间组分、重 组分，吸附平衡常数见表1。 由图3可知，吸附结束 时， 吸附塔内沿着塔长分布2个不同的浓度波：由 重组分和中间组分的浓度峰面向前推进形成，最终 将吸附塔分割成3段不同的气相组成： （1）从入口到0.5m长之间塔段，空隙中已经为 原料气的组成， 表示该塔段已经被原料气所饱和， 同时也可以明显看出，重组分主要就是被吸附在该 段的吸附剂上； （2）从0.5m到2.8m塔段之间，空隙中主要气 体为轻组分和中间组分，两者的摩尔分率由原料气 中组成决定； （3）从2.8m到塔的出口端，空隙中为高纯的轻 组分气体，该塔段是为马上进行的顺放过程预留的。 2.2顺放过程 顺放过程是将吸附塔中空体积中的处于较高 压力状态的轻组分气体引入其他塔进行升压和冲 洗的过程，对放出的轻组分气体浓度有较为严格的 要求。 所以该过程仍然是中间组分和重组分的浓度 波在吸附塔内的顺向移动过程，中间组分的浓度波 刚到达塔的出口端该过程就应该结束。 如图4所 示，此时的中间组分的浓度波正好抵达吸附塔的尾 端。 但是，这个时候塔的出口端空隙中还有较高浓度 图2吸附分离过程中的相平衡原理图 Fig.2Equilibrium between gas and adsorbent in PSA 表3模拟中的各对应的压力变化 Table 3 Pressure of each step in the PSA simulation 吸附顺放结束逆放结束冲洗时 压力/105Pa10.0023.21.21.2 何东荣等：利用ASPEN-ADSIM模拟变压吸附分离过程 图3吸附过程结束时（图2中的B点）塔内空隙中的气相组成 Fig.3The gas composition in the bed void at the end of adsorption step（B in Fig.2） 图4顺放结束时（图2中C点）吸附塔内空隙中气相组成 Fig.4The gas composition in the bed void after cocur- rent depressurisation step (C in Fig.2) 13 天然气化工2009年第34卷 的轻组分气体。 工程上为了提高轻组分的回收率，将 顺放过程时间再延长一点，充分回收这部分气体；如 果对轻组分的浓度有很高的要求， 则需要在顺放过 程中严格将吸附组分的浓度波控制在吸附塔内。 通过延伸可以发现，如果需要将3种组分都在 一定程度分离，那么顺放过程同时就是分离中间组 分的步骤。 如图5所示，继续顺放即可以将中间组 分由塔的出口端放出，得到中间组分产品。 这种方 法在甲醇尾气中惰性组分的去除中有利用。 在这些 混合气中， 轻组分为H2， 中间组分为惰性气体如： N2、Ar气，重组分为CO、CO2，反应过程中需要将惰 性气体去除，以保证反应气体的分压维持在较高的 水平。 因此，吸附分离方法是去除中间组分的一个 非常有效的方法，可以推广应用到聚合，氧化等反 应中除去惰性组分。 2.3逆放过程 由于吸附和顺放过程中，中间组分和重组分主 要是被吸附于塔的中间段和前半段，所以逆放过程 中，塔的出口端空隙中气相浓度变化不大。 由于压 力降低，重组分和中间组分都会大部分解吸，解吸 的气体从塔的入口端放出，使塔中段和前半段空隙 中主要为这部分气体，如图6所示。 根据模拟结果和实际经验，解吸的气体会充满 吸附塔入口端附近的空隙，如图6中，入口端至1m 处之间塔段，空隙中的中间组分和惰性组分占据了 绝大多数。 为了将这部分气体引出塔内部，必须加 上冲洗或者是抽真空的步骤4。 2.4冲洗过程 冲洗过程具有两个目的： （1）继续降低吸附塔内被吸附组分气体分压， 使吸附气体充分解吸； （2）将解吸在空隙中的被吸附气体置换出吸附 塔，使吸附塔完全再生。 冲洗步骤逆向进行， 以流出气体的浓度作为控 制条件， 即当流出气体中轻组分A的分率大于某个 设定值时，则结束冲洗过程。 本模型设置的值为0.8， 即冲洗出口气体中，A组分的分率大于0.8则结束冲 洗。 冲洗气体将中间组分B和重组分C的浓度波往 吸附塔的入口端驱赶，直至赶出吸附塔内部。 图7表 示冲洗结束时的结果， 此时中间组分B在塔内部浓 度最高点的摩尔分率已经低于0.15， 重组分此时就 更低了，所以此时近似认为吸附剂已经再生完全。 2.5升压过程 图8升压结束时（图2中A点）塔内空隙中气相组成 Fig.8The gas composition in the bed void after repres- surization step (A in Fig.2) 图5塔出口端流出气体组成 Fig.5Breakthrough curve for the adsorption and cocur- rent depressurisation step 图6逆放结束时（图2中D点）吸附塔的空隙中气相组成 Fig.6The gas composition in the bed void after counter- current depressurization step (D in Fig.2) 图7冲洗结束时（图2中E点）塔内空隙中的气相组成 Fig.7The gas composition in the bed void at the end of purge step (E in Fig.2) 14 第3期 吸附塔再生完全之后，需要将塔压力升高至吸 附状态时压力。 升压气源一般为其他塔顺放过程和 吸附过程提供，都为比较纯净的轻组分气体。 根据 图2， 升高压力可以提高吸附剂对易吸附组分的平 衡吸附量，为后续进行的较高压力下的吸附步骤做 好准备。 3结论 (1)模拟的结果，证明该混合气体通过吸附剂 层，根据不同的平衡吸附量，形成2个不同的的浓 度峰面； 该浓度峰面随着气流的流动而先前推进， 形成2个移动的浓度波；浓度波将吸附塔沿塔长分 成3个气相组成的不同的塔段。 (2)对吸附步骤的模拟结果说明，吸附过程在易 吸附组分浓度波移动到塔的2.7m处就该停止了， 塔的后半段是为顺放过程预留的。 (3)对顺放步骤的模拟，可以按照具体要求做很 多改变，得到差别很大的产品：如果产品为轻组分， 则需要将易吸附组分的浓度波控制在塔内；如果中 间组分需要跟重组分分离，则需要采取措施将中间 组分的浓度波移出吸附塔，使塔内只剩下重组分。 (4)逆放过程的模拟结果说明，逆放后塔内的进 口端空隙中含有高浓度的易吸附组分，必须采取后 续的冲洗或者抽真空步骤将这部分气体引出吸附 塔，避免这部分易吸附组分在升高压力后再次被吸 附剂吸附，降低了吸附剂对原料的处理能力。 (5)冲洗步骤的模拟结果表明，冲洗结束后，塔 内的吸附组分含量已经很低，而且集中在塔的入口 端。 (6)对升压过程的模拟结果表明，压力升高，吸 附塔内的吸附组分浓度更低，吸附剂已经完全再生 好，准备进入下一个循环步骤。 (7)通过控制各个组分的浓度波在吸附塔内的 移动，可以调节轻组分产品和重组分产品的浓度和 收率等参数。 如果对所设置的模型修改，代入其他 具体的分离体系的相关可靠数据和参数，可以准确 的模拟得到该体系中吸附塔内的气体组成与时间 的关系，能够为吸附分离中的时序编排设计提供精 确依据，给工程计算带来巨大便利。 参考文献 1冯孝庭.吸附分离技术M.北京：化学工业出版社，2000.32- 39. 2王松汉.石油化工设计手册第三卷M.北京：化学工业 出版社, 2002.1389-1401. 3Yang R T.吸附法气体分离M.王树森,曾美云,胡竞民, 等译.北京：化学工业出版社，1991.141-169. 4Ruthven D M, Farooq S, Knaebel K S. Pressure Swing AdsorptionM. New York:VCH Publishers, 1994.49-60. 图910次循环中塔内的压力变化 Fig.9The pressure swing in 10 times cycles in the model Simulation of PSA seperation