模拟的煤层气吸附过程的柱动力学模型

模拟的煤层气吸附过程的柱动力学模型 23VoI 重庆大学学报 (自然科学版) 2000年10月 Oct(2000Science Edition) of 第23卷增刊University(Natural Journal Chongqing 文章编号:1000—582x(2000)SO一0044—03 模拟的煤层气吸附过程的柱动力学模型。 辜敏1，鲜学福2 515063;2(重庆大学建工学院，重庆(1(汕头大学化学系，广东汕头 400044) 摘 要:建立了等温、非等速、非线性等温线的平衡 数学 数学高考答题卡模板高考数学答题卡模板三年级数学混合运算测试卷数学作业设计案例新人教版八年级上数学教学计划 模型，用于关联CH4,N2在T103活性炭 附柱的动态行为，计算的穿透曲线与实验数据符合良好。 吸 关键词:活。龟炭;嘎附;CH4;N2;数学模型 (中图分类号:7TQ 058;03 1)气体服从理想气体定律; 变压吸附技术分离气体是在吸附柱(床)中进行 的，它实际上是渗流 2)忽略由于轴向返混引起的浓度和温度变化; 定力学中的一个物理化学问题。一 3)在吸附柱的半径方向，不存在浓度和温度的梯 量浓度比的气体混合物通过填充吸附柱进行分离 时，流出组分的浓度变化不仅受吸附剂对组分的吸附 度; 亲和力(平衡关系和分离系数)不同的影响，还要 4)采用局部平衡模型(EQ)，假没吸附柱内主体 受传 质速率的影响。吸附床的 设计 领导形象设计圆作业设计ao工艺污水处理厂设计附属工程施工组织设计清扫机器人结构设计 及运行方式的选择不仅 与吸附平流和吸附相之间任意时间内能达瞬时平衡; 由穿透曲线不仅可以5)忽略吸附柱内的压力降; 衡有关，而且在很大程度上取决于穿透曲线。 透点和耗竭点。并了解床层的吸附负荷的分布，穿6)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 且通过吸附过程的穿透曲线还可以 知道传质速度的大小，体系动力学分离的可行性，吸附 方程组成[2，5，8|。 剂的优劣等，因此，对气体混合物的分离，除了要研究 1(1物料衡算 其热力学性质外，还要研究柱动力学性质[1~8 J。近年 掣+e篝??鲁=o?百+8 1—6来，虽然对于两组分气体体系穿透曲线的不同模型(计 u、1’ J万2 万十L 算方法)已有报道旧，5|，但研究的对象多为混合物的稀 式中:“为空塔流速，q为每克吸附剂吸附的吸附质的 释体系，对于不能获得解析解的穿透曲线，在计算机普 摩尔数，c为气相浓度，e为床中间隙率，t为时间，:为 遍使用前，只能用传质(MTZ)方法进行估算，现(已能 用各种数值方法得到各种吸附柱的高度(进料端为0)。 E8j。 复杂情况下的穿透曲线吸附柱的总物料平衡为: 模拟的煤层气(CH。,N，混合气)在T103活性炭 掣+e舞+(1_,)警篝=0(j，-21， 川)J，在此基础上的吸附符合多组分的Langmuir方程L9 (2) 上，并建立了等温、非等速、非线性等温线的平衡数学 、 曲线，结果模型，用于关联CH。,N，在T103活性炭吸附柱的穿透 1(2 吸附等温方程 对于N，、CH。在T103活性炭上的吸附，吸附平证明该模型能 表 关于同志近三年现实表现材料材料类招标技术评分表图表与交易pdf视力表打印pdf用图表说话 pdf 达实验穿透曲线。 衡 满足多组分的Langmuir方程: 1吸附柱动态行为的数学模型 (3、)o，q，:j《塑Lq，2————一i —— 在建立吸附柱动态模型行为的数学模型时，应用 1+?bip，} 了下述假设: -收稿日期:2000(08(31 基金项目:教育部春晖 计划 项目进度计划表范例计划下载计划下载计划下载课程教学计划下载 及专项基金 作者简介:辜敏 (1969一)，女，四川乐山人，博士，讲师。主要从事化学分析研究。 45模拟的煤层气吸附过程的柱动力学模型 辜敏等: 第23卷增刊 穿透曲线的测定通常在恒压(一般为常压)下进 式中:Y。为组分的气相浓度。q“、bi值均为组分i单纯 行，即吸附柱在恒压下进行吸附,解吸过程，这种情况 气体的Langmuir常数值，CH4、N2在T103吸附剂上的 下，上面给出的方程，可以简化，因为d户,dt=0。 ml,g、68(7 ml,g，6值分别为1( 。值分别为110(3 q 对于吸附过程，吸附柱的初始条件是: 混合气体的034、0(572 1引。 (9)YCH((0，z)=0 yN一(0，z)=1 q。为: 吸附总量 吸附柱的边界条件是: (4) q?=?q， (10)p(t)=P YN(,，0)=“(J 早期的模型大都用线性等温吸附方程，从线性到 0一原料气进口速度。式中:弘。一原料气组成;u 非线性，就其起因来看，往往只是一些数量的变化，但 公式(1),(10)就构成了完整的描述吸附柱吸附 就其结果而言，两者之问往往会表现出质的区别。 过程的数学模型。 1(3 传质方程 该速率方程以局部平衡表示: 3典型穿透曲线的分析及讨论 ? 以实验1穿透曲线作为典型例子，其数据见a, a, a由 v; 万Oqi=等=等差3+等鲁t ’ ?7、1。a图 a、，， 从图上可知，经过约4 rain，CH。开始从吸附柱穿过， 式中:q?为平衡吸附量。 到12 rain时，完全穿透。图1还显示了利用本文模型 应用假设1)，有下式成立: 计算穿透曲线的结果，可以看到，模型计算和实验的穿 (6) 透曲线形状基本一致，说明所提出的数学模型能代表 c=番铲筹 非等速、非线性等温线这样的穿透曲线。但模型计算 将式(6)代入(2)，得: 的CH。穿透时间比实验曲线延迟，这主要由模型的简 (7、。)’ a z扫 臼 -a万cgU=一号丝3t一半骞筹t 化假设和实验误差引起的。因为在模型的简化中，忽 由(7)结合(1)，得到本模型的控制方程: 略了吸附柱内的温度变化。虽然吸附柱容量小，易于 和外界进行温度交换，可视为等温过程，但许多实验都 堕dy;(业坐j一 3 RT atRT z 证实，对于浓度较高的混合气，由于吸附组分的浓度 大，床层温度是有波动的，因此平衡计算的吸附量与实 (8) (1,e)Yi善瓦Oqj+(1?等=o 际吸附量有所差异。另外，吸附柱没有进行加热解吸， 解吸不彻底，也是造成的CH。穿透时间提前的原因。 2 计算方法及过程 实验误差还来自于取样及检测仪器的滞后。从穿透曲 采用向后差分法求解吸附柱动态数学模型o7| ，计 线形状看，穿透曲线不是很陡峭，说明活性炭T103对 算程序用QBASIC45语言编写，计算工作在联想586 CH。与N:的吸附分离效果不是很 好。 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。模型方程组结合初始条件和边界条件 行数值求解。具体解法如下:首先由方程(8)解出每进 一 0口a 时间步长和距离步长婺的值，再由此值代入(7)积分 一天,，c 得到每一时间和位置的流速。方程(8)中的系数由吸 0口0 附柱参数(见表1)、吸附等温线、压力历史及前一时间 O 步骤的条件得到。 a口 表1 吸附柱的特征参数 100(0 cm吸附柱长度 吸附柱内径 4(0 cm 图1 数学模型计算的穿透曲线及实验曲线比较 820(3 柱内吸附剂量 g 1一实验1;?一理论计算值 填充密度 0(653 g,cm3 (原料CH(含量:O(412 3,; 5 空隙率 0(395 进口流速:2(382 cm,s;吸附压力:0 MPa) 2000血(自然科学版) 重庆大学学报46 5结论1 0 0 9 笔者提出的吸附动态模型能正确地模拟所研究的0 8 0 穿透曲线，但存在误差。模型改进方向是增加吸附柱 o0 ^ 内的热量平衡。, 0 l A 0 4 0 3 参考文献: 0 2 [1]温木盛，陈冰柔，叶振华c02在13X分子筛上的吸附分 O 1 离一总传质系数及数学模型[J](化学工程(1986(6):38(0 0 [2]柴慈恩，骆有寿，岑沛霖(CO和N2气体混合物在cu(I) Z,cm 一13X分子筛吸附柱上穿透曲线的研究[J](浙江大学学 报，1989，23(6):783( 图2 吸附柱内CH(在气相随时 间 alA，et F，BOSCH H，SOS7FILAND 『3]FOETH Equilibrium 和距离的分布情况 with VariablesCurves Data from Breakthrough Adsorption (原料CH，含量:0(412 3,; Sci and Tech(1996，31(1):21( Pressure[J](Sep Velocity 进口流速:2(382 cm,s;R PCEN T，Analytic L，YANG[4] Adsorberfor Solution 5 吸附压力:0 MPa) Sorbents(Zeolites)withCurves Bidisperse Breakthrough 635( AIChE J，1986，32(10):l [JL 用模型可以计算CH4气相浓度随时间和距 of SUMAR R(Column 吸附柱内SICAR Adsorption [5] dynamics 离的分布情况。以实验1为例，计算结果如图2所示， Tech(1986(21 Activated Sci Gas Mixrures Carbon[J](Sop Binary (10):919( 吸附相中的情况与之类似。气相和吸附相CH。浓度 随着时间的推移向柱出口方向推进。 for R(Column Multicomponent [6]KUMAR Dynamics 2中也可以 从图 Adsorp— Sci tion—Constant Pattern Tech，1 986， Formation[J]Sep 看出柱出口端(z=100 cm)流出物的浓度变化。 039(21(10):l 模型计算和实验一致表明，穿透曲线受原料气浓 C D霍兰(求解动态分离问题的计算机方法[M](北京:科[7] 度、入口流速及吸附压力等操作条件的影响较小，这主 学出版社，1988( 要是因为CH。、N，的吸附性相差不大。 叶振华(化工吸附分离过程[M](北京:中国石化出版社( [8] 1992( Mathematical Model of ofColumn Dynamic of Process Bed GasSimul ative Coal Adsorption GU Xue-Ming，XIAN fu of Civil 400044，China)(College UniversityChongqing Engineering，Chongqing ， with Abstract:The mathematical to model flow is sire—isotherm non—constant equilibrium rate，nonlinear developed ulate model simulation results are in data( with adsorption process(The agreement experimental words:actived modeKey carbon;adsorption process;CH4;N2;mathematical (责任编辑 张小强)