【doc】活塞驱动变压吸附反应器的模型化

【doc】活塞驱动变压吸附反应器的模型化 活塞驱动变压吸附反应器的模型化 2001年12月 第3卷第12期 中国工程科学 En空ineerinzScience Nec.2001 VoI.3No.12 羞擎.j羲.稽囊 活塞驱动变压吸附反应器的模型化 胡鸣,周兴贵,顾峥,袁渭康 (华东理工大学联合化学反应工程研究所,上海200237) [摘要】建立了活塞驱动的快速变压吸附反应器模型 求,提出了模型的边界条件.以2AC=>B+C为反应体系 态模拟软件gPROMS模拟考察了反应器长度,周期长度 和分离性能的影响. 根据气缸与床层相通时压力,浓度和流率的连续性要 其中c为易吸附组分,A,B为不吸附组分,利用动 活塞运动速率,产品收集速率和基础压力对反应性能 [关键词】变压吸附反应器;变压吸附;多功能反应器;动态模拟 1前言 变压吸附反应器(pressureswingreactor, PSR)是一种集变压吸附与反应于一身的新型多功 能反应器J.PSR床层同时具备吸附和反应的功 能,它可以是单一的吸附床层(耦合均相反应), 或单一的催化床层(催化剂同时具有较显着的吸附 能力),抑或是吸附剂与催化剂的混合.变压吸附 反应器可沿用日趋成熟的变压吸附技术,具有流程 简单,设备紧凑,操作简便的显着特点.在用于可 逆化学反应时,可因某一产物选择性地部分分离而 使反应过程得到强化,如使反应向生成物方向移动 而提高单程转化率,或因降低某一产物气相浓度, 缓和深度副反应而提高选择性.另外,PSR能使 产物得到初步分离,因而可降低下游的分离负担. PSR过程开发的关键在于催化剂.为提高分 离效果,催化床层必须具有足够的吸附能力,因而 较低的温度有利;但为了保证一定的反应速率,反 应温度又不能过低.这一矛盾是PSR工业化的重 要障碍.PSR最终能否实现工业化,很大程度上 取决于能否成功开发出低温催化剂或高温吸附剂. 对PSR的研究最早始于1987年J.以CO氧 化的实验表明,快速变压吸附反应器在很宽酌进口 c(co)/c()范围内,co2产量可比定态操作的 PFR增加1倍l3J.继此之后,众多研究者对PSR 进行了大量的模拟研究J,不同之处在于反应 器的构造(单床或多床),操作方式,反应体系, 模型假设(如等温或非等温等),和求解方法. 迄今为止,所有有关PSR的研究中,床层进 口处压力的变化都假定由阗门的开闭(on-offCOn— trol或bang—bangcontro1)来实现J.如果忽略阀 门开关时间和床层进口处阀门和管道的体积,循环 操作中每一步的边界条件都可认为是固定的.无 疑,开关操作使模拟变得简单,工业上也易于实 现.但另一类由活塞驱动的反应器不仅提供了更大 的操作灵活性(可通过控制活塞运动速度实现正弦 波形,三角形和方渡形的循环操作)和潜在的应用 价值,也增加了模型化和模拟的难度.为了进一步 了解变压吸附反应的机理和行为,以活塞驱动快速 变压吸附反应过程为对象,进行模型化与模拟的研 究. [收薯日期】2001—04—20;惨回日期2001—08—14 [基金璃目】国家自热科学基金资助项目(29876007) [作者筒舟】胡鸣(1957一),男,安簟黄山市』,,华东化工理工大学联合化学反应工 程研究所副教授 第12期胡鸣等:活塞驱动变压吸附反应器的模型化53 2反应器模型 设在反应器中进行的反应为可逆离解反应2A 日B+C.其中C为易吸附组分,A,B为不吸附 组分.工业实例有乙烷脱氢生成乙烯,丙烷脱氢生 成丙烯等[一.通常,这些反应需在高温下进行, 以克服动力学,特别是热力学的限制.高温不仅增 反 应 ? 气 虹 加过程的能耗,而且由于催化剂的结焦和迅速失 活,使这些反应实际上并不可行.利用PSA可使 反应在较低的温度下进行而得到较大的净反应速 率,因而可克服高温带来的诸多弊端. 活塞驱动快速变压吸附反应包括如下两个基本 操作步骤(见图1): 富B气件富B气体 开I 美2 (富c气件) A 图1活塞驱动快速变压吸附反应示意图 Fig.1Schematicofapistondrivenrapidpressureswingreactor 1)反应一吸附:通过气缸内活塞移动把反应4)床层径向无浓度梯度,压力梯度和速 度梯 物A压人反应器床层.度; 2)反应一解吸:降低进口端压力,使吸附剂 得到再生. 操作过程中,床层出口段一直开启,以一定的 速率收集富B气体产品.床层进口段在反应一吸 附阶段阀门1,2开启,3,4关闭,此时床层与气 缸相通,接受富A气体.在反应一解吸阶段,阀 门2关闭,3开启,床层进口端与产品罐相通,并 以一定的压力(记为解吸压力)排出富c气体; 同时阀门4开启,气缸补充反应物A.反应一解吸 阶段结束后开始返回反应一吸附阶段. 模型化时对反应器床层作如下假定: 1)忽略吸附和反应热效应,反应器在等温下 操作; 2)流体的流动为带轴向扩散的平推流; 3)压力措床层轴向的变化由Darcy定律决定; 5)气体热力学行为符合理想气体状态方程; 6)不计吸附传质阻力,吸附瞬间达到平衡; 7)气缸内A物料的填充瞬间完成. 根据以上假设,可对反应器床层列出如下模型 方程. 质量守恒方程: aCb. a吼a(uCb,f) t百百一—一 .+, z=[0,L],i=A,B,C(1) 其中床层总孔隙率E=Eb+E.(1一b). 理想气体状态方程: ?Cb,=Pb/RT,z=Eo,L](2) 动量守恒方程: 中国工程科学第3卷 一s.一1.75, z=[0,L](3) 吸附速率方程: :m 孥,iA,B,C(4)B—t,.,, 反应速率方程: 一r (cj一案)(5) 其中: Cb一床层气相主体浓度,mol/m3; 口一吸附剂固相浓度,tool/m3; "一表观气速,m/s; Pb一床层内总压,Pa. 以上方程在满足模型假定的条件下对所有类型 的PSR都适用. 对活塞驱动变压吸附反应器,还需要列出气缸 的模型方程.对气缸,假定: 1)等温操作; 2)理想气体; 3)气缸内不存在浓度梯度和压力梯度. 因而有: 质量守恒方程: Bt=A—C,鲁= =A,B,C(6) 理想气体状态方程: 三 C"=P/RT(7) 其中: P一气缸内总压,Pa; y一气缸内气体总体积,m3; A一活塞面积,m2; "一活塞移动速率,m/s. 3边界条件 由于反应吸附阶段气缸和床层相通,因此二者 的边界条件相互关联.另外,假定操作过程中,床 层出口段以固定的体积流率0(m3/s,常压)收 集产品B.由此可提出边界条件如表1. 以上边界条件满足了气缸和床层相通时床层进 口处压力,浓度和流率的连续性 要求 对教师党员的评价套管和固井爆破片与爆破装置仓库管理基本要求三甲医院都需要复审吗 ,因而有明确 的物理意义. 表1边界条件 TablelBaundaryConditions 4模拟方法 上述模型可用多种方法进行数值求解.本文利 用由英国帝国理工学院系统工程中心研制开发的模 型化与模拟软件gPROMS(generalPROcessMod— ellingSystems)_9进行PSR模拟研究. gPROMS是一种面向方程的过程模拟软件, 它与面向单元的模拟软件不同,不受过程和模型的 限制.过程可以是定态的或动态的,模型可以是代 数方程,微分方程,积分方程,或兼而有之.复杂 过程模型通常同时包含积分,偏微分和代数方程 (integral,partialdifferemialandalgebraicequations, IPDAEs),求解非常困难.gPROMS在求解 IPDAEs时将空问域离散化,使问题简化为对常微 分和代数方程(ordinarydifferentialandalgebraice quations,DAEs)后再求解.在求解时用户需要确 定离散方法,近似级数和节点或有限元的数量.由 于变压吸附反应涉及流向的逆转,因此宜采用有限 元正交配置法.近似级数和有限元的数量的确定没 有普遍适用的方法,只能通过比较计算结果来作出 判断. 假设开车时,床层内和气缸内的压力相等,床 层压力等于解吸压力;活塞位于气缸最下段,每一 周期开始时活塞瞬间复位,气缸内A的补充也瞬 间完成.动态模拟从初始条件出发,进行第一次循 环.随后的每一次循环都使用前一次循环的结果作 为初始条件来进行模拟直至达到平衡稳态. 模拟所用的设计参数,物性常数及操作参数如 下: 床层设计参数: 长度L=1.0m,直径dh=0.05m; 气缸设计参数: 长度L=1.125m,直径d=0.25m,(气缸 第12期胡鸣等:活塞驱动变压吸附反应器的模型化55 最大体积V一:0.0552); 物性常数: 催化(吸附)剂直径d=3.0×10,m,颗粒 空隙率,=0.55,床层空睐率eb=0.37,填充密 度pb=850kg/m3;反应动力学常数:kf=0.2, K:0.0156(平衡转化率1O%);吸附速率常数 c:9.8×10m3/kg;轴向扩散系数D=1× 1O一m/s;气体粘度=1.8×10一Ns/m 操作参数: 操作温度Tb=T=473.15K,活塞运动速率 Ue=0.50m/s;产品采出速率Q=1×10/s ( 标准 excel标准偏差excel标准偏差函数exl标准差函数国标检验抽样标准表免费下载红头文件格式标准下载 状态),周期长度3s(本文假定吸附解吸时 间相同),基础压力(指气缸的初始压力和解吸时 的排气压力)P=1.01×10Pa. 5结果与讨论 gPROMS中有限元正交配置法的最高阶数为4 阶,因此本文在模拟过程中阶效固定为4阶.空间 区域取有限元数为8和16时,B的纯度zB和C的 收率c(定义见式8,9)分别为51.5%, 10.38%和53.0%,10.40%,结果比较接近.因 此,为节省计算时间,本文模拟过程中有限元数固 定为8. PSR本质上是动态的,我们感兴趣的是它的操 作达到循环定态(cyclicsteadystate,此时在相邻的 两个周期内过程状态的变化完全相同)时的行为. 因此,我们从给定的初始条件出发,对PsR进行动 态模拟,直至循环定态,然后再考察反应器的性能. 为了确定反应器是否达到循环稳态,可以监视床层 某一状态变量随时问的变化.图2显示了模拟过程 中每一周期结束时B的浓度随时间的变化. 进口段流体的突然换向将产生很大的压力,流 率和浓度梯度,因此每次模拟需要经过较长时间 (一般为2h左右)才能达到循环稳态. PSR既是分离器,又是反应器.作为分离器, 可以产品中B的纯度作为性能指标: rf.+f. I.'CB(L,t)(,t)dt B=—u_?———————,(8) ?C(L,)"(L,)dri;1u 作为反应器,以产品C的收率来表示反应性 能: rl+Cc(L,f)(L,,)d, -_ r1-(cc(0,)l"(o,f)d cA(0If)棚d (9) 由于PSR固有的动态特性.上述指标都是在 反应器达到循环稳态后一个周期内的平均值. 善 星 图2每一周期末产品中B组分的浓度 随循环次数的变化 Fig.2ChangesofthepurityofBat theendofeachcycleintheproduct streamwithcyclenumbers 图3显示了床层高对PSR性能的影响(实心 点为B,空心点为c,下同).床层高度增加, 提高了反应物的停留时间,有利于吸附和反应,因 而可提高分离效率和反应收率.但如果床层过高, 在反应一吸附阶段,由于存在气流阻力,富含A 的原料气体不能及时补充到反应器出口段,B的浓 度也因此得不到提高.所以床层太高反而降低 RPSR的反应和分离性能. 图4显示了在括塞运动速率不变情况下操作周 期长度对系统性能的影响.随着周期长度的增加, 气体在反应器床层内的停留时间增大,一方面促进 了反应,吸附和脱附,提高了反应与分离效率;而 另一方面却因为气缸压力的增加和时间的延长.更 多的原料气被送人床层而降低转化率.因此,对C 的收率存在一个最佳周期长度. 周期长度的增加对反应分离性能的影响混合了 停留时间和压力两种因素.而如果固定周期长度, 中国工程科学第3卷 巷 詈 星 Redhg血/m 三 鲞 图3床离对产品纯度和收率的影响 Fig.3EffectsofbedlengthOilthe productpurityandyield 芝 U j 鲞 图4周期长度对产品纯度和收率的影响 Fig.4EffectsofcycledurationOilthe productpurityandyield 仅提高活塞运动速率,就可排除停留时间的影响. 图5表示周期长度固定,活塞运动速率对系统 性能的影响.提高活塞运动速率相当于提高了床层 进口压力,有利于吸附和并提高正反应速率,因此 提高了产品B的纯度和c的收率.但进口处压力 的提高同样增加了进入床层的反应物的量,因而降 低C的收率. 产品采出速率也是PSR操作的重要参数.图6 表明,随着采出速率的上升,产品中B的纯度急 剧下降,而c的收率却经历了先升后降的变化. 提高采出速率将降低停留时闻,使吸附不充分,因 而影响B的纯度;而C的曲折变化是采出速率与 床层出口处c浓度相互矛盾的结果. 图7显示了提高基础压力对体系性能的影响. 在反应吸附阶段,基础压力提高有利于反应和吸 附,因而提高了PSR的分离性能,但在反应一吸 附(产品C的收集)阶段却因为增加解吸压力而 不利于C的解吸,因而降低C的收率. 芝 鼍 蜀 图5活塞运动速率对产品纯度和收率的影响 Fig.5EffectsofpistonvelocityOilthe productpurityandyield nn由clD吐_哪Ra,xl0-目'. 芝 哼 U j 黄 图6产品采出速率对产品纯度和收率的影响 Fig6Effectsofdeliveringrateonthe productpurityandyidd 番 : 喜 芝 d ! 蜀 图7基础压力对产品纯度和收率的影响 Fig.7Effectsofbasalpresslareonthe productpurityandyield 第l2期胡鸣等:活塞驱动变压吸附反应器的模型化 6结论 本文建立了活塞驱动快速变压吸附反应器模型, 利用动态模拟软件gPROMS研究了反应器设计参 数和操作参数对反应性能和分离性能的影响.从模 拟结果可看出,各参数的影响规律十分复杂.由于 影响因素较多,因此在进行设计和操作优化时,必 须借助于数学模拟的方法. 从模拟结果可看出,RPSR虽然结构和操作方 式简单,但可突破反应平衡的限制,且能使成品得 到了部分分离.此外也可看出,产品B的纯度对 设备参数和操作条件的变化很敏感,而收率尽管也 出现规律性变化,但只略大于反应的平衡收率,说 明快速变压吸附反应这种操作方式有一定的局限 性,需要采用其他类型的操作方式J. 参考文献 [1]ChatdriwechD,AlpayE,KershenbaumLS.eta1.En— haneementofcatalyticreactionbypressureswingad一 ~orption[J]CatalysisToday,1994.加:351,365 【2JVaporciyanGG.KadlecRH.Equilibrium—lirmtedpe— riodicseparatingreactors【JJ.AIChEJ.1987,33: 1334,1343 VaporciyanGG,KadlecRHPeriodicseparatingr6ac— torsiexperimentsmadtheory[J].AIChEJ.1989,35: 831,844 LuZP,Rodigue~AEPressureswingadsorptionresc— tors:simulatimaofthree—stepone-bedprocess[J] AIChEJ.1994,40:1118,1137 K[rkhyNF,MorgemJEP,Atheoreticalinvestigatic~ ofpre~ureswingreaction【J]TramIChemE,1994, 72:541,550 ChengYS.AlpayE,KershenbatmaLSSimulation andoptimizationofarapidpressureswingrl~flc53Dr[J]. ComputerschemEngng,1999,22:545,s52 AlpayE,Chatslriw~ehD,KershenbaumLS,eta1 Combinedreactionandseparationinpressureswingpro— cesse~[J]ChemEngSei,1994,49t5845--5864 AlpayE,KenneyCN,ScottD.MSimulationof州d pr~sureswingadsorptionandreactionpID[J] ChemEngSci.1993,48:3173,3186 OhM.PantalidesCC.AmoddingandsimulationIan— guageforcombinedlumpedanddistributedparameter systems[J].ComputersehemEngng.1996.20:611 , 633 ModelingofaPistonDriven,PressureSwingReactor HuMing,ZhouXinggui,GuZheng,YuanWeikang (UNILABResearchCenterofChemicalReactionEnglneering, EastChinaUniversityofScienceandTechnology,Shanghai200237,China) 【Abstract]Amodelforpistondriven,rapidpressureswingreactorisdeve~ped.Boundaryconditionsarepre? sentedbasedonthecontinuityrequementsforpressure,ve|oc~tyandconceritrationattheinletofcat~ystbed. 2AC=>B+CisemployedasaworkingreactionsysteminwhichonlyC,notAorB,isadsorbed.Byusingdy— narnicsimulationsoftwaregPROMS,theinfluencesofbedlength,cyclelength,pistonmovingvelocity,product deliveryvelocityandbasalpressureonreactionandseparationefficiencyareinvestigated. 【KeywordsJpistondrivenpressureswing~eactor;pressureswing;multifunctionalreactor;dynamicsimula? tion 3456789