SARS患者专用PSA制氧机变压吸附过程的数值模拟:计算结果及分析

D0I:10.13374/i.issn1001-053x.2004.02.027 第26卷第2期 北京科技大学学报 VoL26 No.2 2004年4月 Journal of University of Science and Technology Beijing Apr.2004 SARS患者专用PSA制氧机变压吸附过程的 数值模拟：计算结果及分析 崔红社刘应书乐恺赵治张德鑫 北京科技大学机械工程学院热能工程系，100083，北京 摘要数值模拟了吸附时间、吸附压力、进气量、吸附床高度等工艺参数对微型氧氨分离 过程的影响，分析了氧含量沿吸附床的演变过程，结果表明：微型氧氨分离过程为一种短周 期的变压吸附循环：吸附压力越高，吸附阶段结束时氧气浓度波锋面穿透吸附床的距离越长： 进气量越大，要求吸附床高度越大：吸附床长度缩短会导致吸附阶段氧气浓度锋面穿透吸附 床：从开始到循环达到稳定状态需要大约15个循环：要想获得较高纯度的产品气，必须保证 氧气浓度波锋面前沿不移出吸附床：传质阻力对过程的影响非常大，不能近似认为是瞬时平 衡过程. 关键词SARS:变压吸附：浓度分布：数值模拟：制氧 分类号TQ116.14 为开发一种能够满足SARS患者呼吸用氧需 式中，D一分子扩散系数，ms:一气体的间隙速 要的微型PSA(Pressure Swing Adsorption)制氧装 率，m/s:d一吸附剂颗粒的直径，m. 置，在研究中建立了描述吸附器内氧氮分离过程 吸附床空隙率可以根据吸附床内径以及吸 的数学模型，并对模型预测结果的可靠性和实用 附剂颗粒直径由下式得到阿： 性进行了实验验证.在前面工作的基础上，本 a-038+073l+22 文利用该模型研究了吸附时间、吸附压力、吸附 式中，Dd一床层内径与吸附剂颗粒直径之比. 床高度、进气量等工艺参数对微型氧氮分离过程 模拟计算中，吸附床空隙率为052，氧、氨组 的影响，模拟了产品气浓度与循环次数的关系， 分在5A沸石分子筛上的吸附平衡系数分别为4.7 分析了吸附床气相组分中氧气浓度波的演变过 和14.8，二者的传质系数分别为62.0和19.7s. 程.基于该数学模型对微型PSA制氧过程的数值 吸附床轴向扩散系数为5×10ms.原料气为空 仿真分析，可以深入细致地研究工艺参数的影响 气，环境温度为25℃.过程的工艺参数：吸附床长 特性，全面了解吸附器内分离过程中气相组分浓 度0.35m,直径0.07m.吸附压力和解吸压力分 度的演变过程和分布规律，探索吸附器结构对分 别为0.35和0.1MPa(绝对压力).原料气量为70 离过程的影响，为实现吸附器结构优化及微型 L/min,产品气量为3L/min. PSA制氧机的高效化、紧凑化提供理论指导B, 2工艺参数对氧氮分离过程的影响 1模型参数 利用所建立的数学模型，模拟了吸附时间、 数学模型中吸附床轴向扩散系数由下式计 吸附压力、进气流量和吸附床长度等工艺参数对 算： 分离过程的影响，并分析了过程达到循环稳定状 0.5vd. D=0.73D.+1+9.49D/vd 态所需的循环次数， 收稿日期2003-11-04崔红社男，33岁，讲师，博士研究生 2.1吸附时间的影响 *国家自然科学资金资助课题N0.50344005) 图1给出了产品气纯度与吸附时间的关系

第 2 6 卷 第 2 期 2 0 0 4 年 4 月 北 京 科 技 大 学 学 报 JO u rn a l o f U n vi e rs tiy o f S e ie n e e a o d Te c h n o lO yg B e Ji 恤 g V b L2 6 N O 一 2 PA r. 2 0 4 SA R S 患者专用 P SA 制氧机变压 吸附过程 的 数值模拟 : 计算结果及分析 崔红社 刘 应 书 乐 恺 赵 治 张 德 鑫 北 京科技 大 学机械 工程 学院热 能工 程系 , 10 00 83 , 北 京 摘 要 数值 模拟 了吸 附 时间 、 吸附压 力 、 进 气量 、 吸 附床 高度 等工 艺参数 对微 型氧 氮 分离 过程 的 影响 , 分析 了氧 含量 沿吸 附床 的演 变过 程 . 结果 表 明 : 微 型氧氮 分 离过程 为 一种短 周 期 的变 压吸 附循环 ; 吸附压 力越 高 , 吸 附阶段结 束时氧 气浓度 波锋 面穿透 吸附床 的距 离越 长 ; 进气 量越 大 , 要 求吸 附床 高度 越大 : 吸 附床长 度缩 短会 导致 吸 附阶段氧 气浓 度锋 面 穿透吸 附 床 ; 从开 始到 循环达 到 稳定 状态 需要 大约 巧 个 循环 : 要想 获得 较 高纯度 的产 品气 , 必 须保 证 氧气浓 度 波锋 面前 沿不移 出吸附床 ; 传 质阻力 对过 程 的影 响非常 大 , 不 能近 似认 为是 瞬时 平 衡过程 . 关键 词 s A R s : 变 压吸 附 : 浓 度 分布 ; 数 值模 拟 ; 制氧 分类号 T Q 1 1 6 , 1 4 为开 发一 种 能够 满足 S A R S 患者 呼 吸用氧 需 要 的微 型 P S A ( R e s s ure Siw ng A d so rp it on ) 制氧 装 置 , 在 研 究 中建 立 了描 述吸 附器 内氧 氮分离 过程 的数学模 型 , 并对模型 预测 结果 的可 靠性 和 实用 性 进行 了实验 验 证 `1,2] . 在前 面 工作 的基 础上 , 本 文 利用 该 模 型研 究 了吸 附 时 间 、 吸 附压 力 、 吸 附 床 高度 、 进 气量 等工 艺参 数对 微 型氧 氮分 离过 程 的影 响 , 模 拟 了产 品气 浓度 与循 环次 数 的关 系 , 分 析了吸 附床气 相组 分 中氧 气 浓度 波 的演 变 过 程 . 基 于该 数学 模型对 微 型 P S A 制氧 过 程 的数 值 仿真 分析 , 可 以深 入 细致地 研 究工 艺参 数 的影 响 特 性 , 全 面 了解吸 附器 内分离过 程 中气 相组 分浓 度 的演变 过程 和分 布规 律 , 探索 吸 附器 结构 对 分 离过 程 的 影 响 , 为 实 现 吸 附器 结 构 优 化及 微 型 P S A 制氧 机 的 高效 化 、 紧 凑 化提 供 理论 指 导` 3,4] . 式中 , D一分 子扩 散系数 , m sz/ ; ~ 气 体 的 间隙速 率刀岁s ; 诱一 吸 附剂颗 粒 的直 径 , m . 吸 附床 空 隙 率可 以根据 吸 附床 内径 以及 吸 附剂颗 粒 直 径 由下 式得到顶 , : 。 一 0 . 3 8、 . 0 7 3 [ l +留寻{ · 式 中 , D R/ dP 一床 层 内径与 吸 附剂 颗粒 直 径 之 比 . 模拟 计 算 中 , 吸 附床 空 隙率 为 .0 52 , 氧 、 氮组 分在 SA 沸石 分子 筛上 的吸 附平 衡系数分 别为 .4 7 和 1.4 8 , 二 者 的传质 系数分 别 为 62 .0 和 19 . 7 5 一 , ` 7,5] . 吸 附床轴 向扩 散 系数 为 5 ` 10 巧 m Z / 5 . 原料 气为 空 气 , 环境 温度 为 25 ℃ . 过程 的工 艺参 数 : 吸 附床长 度 .0 35 m , 直 径中.0 07 m . 吸 附压 力和 解 吸压 力分 别 为 .0 3 5 和 0 . 1 M P a ( 绝对 压 力 ) . 原料 气量 为 70 L m/ in , 产 品气 量 为 3 L l/ n in . 1 模 型 参数 数 学模 型 中 吸 附床 轴 向扩 散 系 数 由下 式 计 算 `, , : D L 一 ” · 7 , mD +碳耀漏 收稿 日期 2 0 03 一 1刁 4 崔 红社 男 , 3 岁 , 讲 师 , 博士研 究 生 * 国家 自然科 学资金 资助 课题伽.0 5 03 4 0 5) 2 工 艺参数对氧氮分 离过程 的影响 利 用所 建 立 的数 学模 型 , 模 拟 了吸 附 时 间 、 吸 附压 力 、 进气 流量 和 吸 附床 长 度等工 艺参数对 分 离过 程 的影 响 , 并 分 析了过程 达到 循环 稳 定状 态 所 需的循环 次 数 . .2 1 吸 附 时间 的 影响 图 1 给 出 了产 品气 纯度 与 吸 附 时间 的关 系 . DOI: 10. 13374 /j . issn1001 -053x. 2004. 02. 027

Vol.26 No.2 崔红杜等：SARS患者专用PSA制氧机变压吸附过程的数值模拟：计算结果及分析 ·223· 1.0 高，氧气浓度波锋面越靠近吸附床出口，并且吸 实验 附床出口处的氧含量越低.然而在三种吸附压力 0.9 条件下，吸附床出口处的氧含量差别不大.其原 模拟 因在于：模拟过程中仅给定了吸附阶段的进气量 0 而没有限定升压阶段的进气量，吸附压力高意味 0.8 着升压阶段进气量增加.由于升压阶段氧气浓度 波锋面没有穿透吸附床.因此，随吸附压力升高， 出口处氧含量有所下降，但下降的幅度并不大， 0.7 4 5 6 由图3可以看出，吸附压力越高，吸附阶段结束 吸附时间s 时吸附床出口氧含量越低，并且出口处氧气浓度 图1吸附时间对产品气纯度的影响 下降幅度很大，其原因在于，吸附阶段结束时，吸 Fig.1 Effects of adsorption duration on oxygen purity in 附压力越高氧气浓度波锋面穿透吸附床的距离 product 越大，浓度波锋面穿透吸附床会导致氧气浓度大 模拟和实验结果显示，微型氧氮分离过程的最佳 幅度下降， 吸附时间小于10s,为一种短周期的变压吸附循 1.0 环，从图中可以看出，模拟得到的产品气纯度略 低于实验得到的结果，并且模拟得到的最佳吸附 麻0.8 丰8端 时间小于实验得到的最佳吸附时间.其原因可能 是数学模型中未考虑吸附器出口端的空隙.实际 0.6 过程中，该空隙中存留的氧气对升压阶段的浓度 波锋面起到压缩作用，使其更加陡峭，延长了浓 0.4 度波锋面穿透吸附床的时间，从而实验得到的最 佳吸附时间要略长于模拟得出的结果，并且产品 0.2 0.20.4 0.60.8 1.0 气纯度也高于模拟得出的结果， 无因次吸附床长度 2.2吸附压力的影响 图3不同吸附压力下，吸附阶段结束时氧含量沿吸附 图2和图3分别为升压阶段以及吸附阶段结 床的分布 束时刻氧含量沿吸附床的分布曲线，由图2可 Fig.3 Effects of adsorption pressure on oxygen concentra- 见，在不同吸附压力条件下，升压阶段结束时氧 tion profiles at the end of adsorption step 含量沿吸附床的分布曲线明显不同，吸附压力越 23进气流量的影响 1.0 图4给出了在三种进气量条件下吸附阶段结 束时刻氧含量沿吸附床的分布曲线.由图可见， 0.8 +88: +0.40MPa 吸附过程结束时在吸附床中形成了陡峭的浓度 波锋面，锋面所处的区域为传质区，吸附作用主 0.6 要发生在传质区，而气相组分含量的变化也发生 在传质区例.在不同进气量条件下，传质区长度基 0.4 本相同.这是因为：氧氮组分在沸石分子筛上的 吸附属于平衡吸附，传质速率非常快，而吸附床 0. 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 轴向的气流速度相对于传质速率而言是一个非 无因次吸附床长度 常小的值，可以忽略不计.原料气流量，即气相流 图2不同吸附压力下，升压阶段结束时氧含量沿吸附 速的大小对传质区长度基本没有影响.而进气量 床的分布 越大，吸附阶段结束时氧含量波锋面靠吸附床出 Fig.2 Effects of adsorption pressure on oxygen concentra- 口越近，且出口的氧气浓度越低.其原因是浓度 tion profiles at the end of pressurization step 波锋面的移动速度与进气量有关，进气量越大

V b L2 6 N 0 . 2 崔 红 社等 : S A R S 患 者专 用 P SA 制 氟机 变压 吸 附过 程 的数 值模 拟 : 计算 结 果及 分析 . 2 2 3 . 实验 、 、 、 、 ` 心叼卜 模拟 只ùn, 0 ù 侧坛犷唱礼 U 0 . 7 L一 - ~ - 山- ~ 一- 一 - 一- J 一 - - - - ~ 司 - 一-一 - 习 4 5 6 7 8 吸 附 时间 s/ 图 1 吸附 时 间对产 品气 纯 度的影 响 F ig . l E fe e t s o f a d s o lr) t io n d u ar 柱o n o n o xy 沙 n P u r i yt 恤 P or d u c t 模拟和 实 验结 果显 示 , 微 型 氧氮 分离 过程 的最佳 吸 附 时 间小 于 10 5 , 为 一 种 短周 期的变 压 吸 附 循 环 . 从 图 中可 以看 出 , 模 拟 得到 的产 品气 纯 度 略 低 于 实验 得到 的结果 , 并 且 模拟 得 到 的最佳 吸 附 时 间 小于 实验 得 到 的最佳 吸 附 时间 . 其 原 因可 能 是 数 学模 型 中未考 虑 吸 附器 出 口 端 的空 隙 . 实 际 过 程 中 , 该 空隙 中存 留的氧 气对 升压 阶 段 的浓度 波锋面起 到 压 缩作用 , 使其更 加 陡 峭 , 延 长 了浓 度 波锋 面 穿透吸 附床 的 时 间 , 从 而 实验 得 到 的最 佳 吸 附时 间要 略 长于 模拟 得 出 的结 果 , 并 且产品 气 纯 度 也高 于 模拟 得 出的 结果 . .2 2 吸 附压 力 的影 响 图 2 和 图 3 分 别为 升 压 阶段 以及 吸 附 阶段 结 束 时刻 氧 含量 沿吸 附床 的分 布 曲线 . 由 图 2 可 见 , 在 不 同吸 附 压 力条 件 下 , 升压 阶 段结 束 时 氧 含 量 沿吸 附床 的分布 曲线 明显不 同 . 吸 附压 力越 高 , 氧 气浓 度 波 锋 面越 靠 近 吸 附 床 出 口 , 并且 吸 附床 出 口 处 的氧 含 量越 低 . 然 而在 三 种 吸 附压 力 条 件下 , 吸 附床 出 口 处 的氧 含 量 差别 不 大 . 其 原 因在 于 : 模拟 过 程 中仅 给 定 了吸 附阶 段 的进气 量 而 没 有 限定升 压 阶 段 的进气 量 , 吸 附压 力高 意 味 着升压 阶 段进 气量 增 加 . 由于 升压 阶 段氧 气浓 度 波 锋 面没 有 穿透吸 附床 . 因此 , 随 吸 附压力 升 高 , 出 口 处氧 含 量 有 所 下 降 , 但 下 降 的 幅度 并 不大 . 由 图 3 可 以看 出 , 吸 附压 力 越 高 , 吸 附阶 段结 束 时 吸 附床 出 口 氧含量 越低 , 并 且 出 口 处氧 气浓 度 下 降 幅度 很大 . 其 原因在 于 , 吸附 阶段 结 束时 , 吸 附压 力 越 高 氧 气 浓 度波 锋 面 穿透 吸 附床 的距 离 越 大 , 浓 度波 锋 面 穿透 吸 附床会 导 致氧 气 浓度 大 幅 度 下 降 . r , 0 . 3 0 M P a ! 十 0 3 5 M卫 a 薰 0 ` 8 … 一 。 ` 4。 一 a 豪 0 ` 6 { .0 2尸- 忿- 嘴于~ 丽 e 一亩厂一丫 . ” 无 因次 吸 附床长 度 图 3 不 同吸 附压 力下 , 吸 附 阶段 结束 时氛 含且沿 吸 附 床 的 分布 F ig · 3 E fe 以5 o f a d s o r Pit o n P er s s u er o n o xy g e n e o n e e n t r a - iot n p or 川e s a t t h e e n d o f a d s o rP it o n , et P + O . 3 O N P[ a 叫 卜 0 . 3 5 M P a 叫卜 0 . 4 0 M P 燕长锄巾犷嘛g a 0 . 2 . 旦二二正 ~ es e ` es e e 山 es es 一 0 0 . 2 0 ` 4 0 . 6 0 . 8 1 . 0 无 因 次吸 附床 长度 图 2 不同 吸 附压 力下 , 升压 阶段 结 束时氧 含 量沿 吸 附 床 的分 布 F ig · 2 E fe e st o f a d s o rP t i o n P er s s u r e o . o xy ge o e o n e e n t ar - iot n Por n 】e s a t t h e e n d o f P er s s u r 议a it o n s t e P .2 3 进 气 流 量 的 影 响 图 4 给 出了在 三种 进气 量 条件 下 吸 附阶段 结 束 时 刻 氧含 量 沿 吸 附床 的分 布 曲线 . 由 图可见 , 吸 附过 程 结 束 时 在吸 附 床中 形 成 了 陡 峭 的浓 度 波锋 面 , 锋 面 所 处 的 区域 为 传 质 区 , 吸 附 作用 主 要 发 生在 传质 区 , 而气 相 组分 含量 的变化 也 发 生 在 传 质 区〔, , . 在 不 同进 气量 条件 下 , 传 质 区长 度基 本 相 同 . 这 是 因为 : 氧氮 组 分 在沸 石分 子 筛 上 的 吸 附属 于平 衡 吸 附 , 传 质 速 率 非 常快 , 而 吸 附床 轴 向的气流 速 度相 对 于 传质 速率而 言是 一个 非 常小 的值 , 可 以忽 略不 计 . 原料 气 流量 , 即气 相流 速 的大小对传 质 区 长度 基本 没 有 影 响 . 而 进气 量 越 大 , 吸附 阶段 结束时 氧含 量 波锋面 靠 吸 附床 出 口 越近 , 且 出 口 的氧气 浓 度越 低 . 其 原 因是 浓度 波 锋 面 的 移动 速 度 与进 气 量 有 关 , 进 气 量 越 大

·224· 北京科技大学学报 2004年第2期 1.0 1.0 0.8 尔 0.8 0.6 0.6 0.4 0.2 0.4 0 020.40.60.8 1.0 0 2 16 无因次吸附床长度 循环次数 图4不同进气量条件下，吸附阶段结束时氧含量沿吸 图6产品气纯度与循环次数的关系 附床的分布 Fig.6 Relations of product purity and cycle number for Fig.4 Effects of feed flowrate on oxygen concentration different length of columns profiles at the end of adsorption step 高度条件下产品气纯度与循环次数的关系，由图 单位长度吸附床达到吸附饱和所需的时间越短， 可知，在不同吸附床高度条件下，循环达到稳定 从而氧气浓度波锋面前进速度越快.因此，进气 状态所需的循环次数基本相同，即大约15个循 量越大，在吸附时间一定的条件下要求吸附床的 环.但产品气的纯度存在明显差异，吸附床高度 高度也越大. 越大，循环达到稳定后产品气纯度越高.而随吸 2.4吸附床高度的影响 附床高度增加，产品气纯度增加幅度呈下降趋 图5给出了在不同吸附床高度条件下，吸附 势.因此，在其他工艺参数一定的情况下存在一 阶段结束时氧含量沿吸附床的分布曲线，由图可 个最优的吸附床高度，在该吸附床高度条件下产 1.0 品气的纯度较高，而继续增加吸附床高度对提高 产品气纯度作用不大 新 0.8 +38m ◆350mm 3吸附床气相组分含量分布特性 0.6 31吸附床氧气组分的分布 图7和图8分别给出了吸附阶段以及反吹阶 0.4 段不同时刻氧含量沿吸附床的分布曲线，从图7 中可以看出，在吸附阶段某一时刻氧含量沿吸附 0.2 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.0 无因次吸附床长度 图5吸附阶段结束时气相中氧含量沿吸附床的分布 救 0.8 Fig.5 Concentration profiles of oxygen along the column at the end of adsorption step 0.6 知，在三种吸附床高度条件下，吸附阶段结束时 氧气浓度波锋面均存在穿透吸附床现象，但穿透 0.4 的程度不同，吸附床长度越短，浓度波穿透的越 严重，从而导致吸附塔出口的氧含量越低.对于 0.2 0 0.20.40.60.81.0 吸附床较短的微型变压吸附制氧装置，浓度波穿 无因次吸附床长度 透是产品气纯度低或纯度波动大的主要原因.因 图7吸附阶段氯纯度沿吸附床的分布曲线 此要想获得纯度较高的产品气必须避免氧气浓 Fig.7 Oxygen concentration profiles along the column in 度波锋面穿透吸附床.图6给出了在不同吸附床 adsorption step

2 24 北 京 科 技 大 学 学 报 2 004 年 第 2 期 ~. 5 0 L m . . 6 0 目甲 . 7 0 侧坛犷呢化 1 . 0 粼 0 . 8 求 肠 鳖 。 · 6 了 崛 0 . 4 0 . 2 . . . . . . . . . . . . 理里 日豆里匕二己二一 一` 一- 二一 一习 0 0 . 2 0 . 4 0 . 6 0 . 8 1 , 0 无 因 次吸 附床 长度 图 4 不 同进 气 , 条件 下 , 吸附 阶段结 束 时氧 含t 沿吸 附床 的分 布 Fi g · 4 E fe e st o f fe de fl ow r a et o n o xy g e n e o n c e 。 扮. it o n P or df e s a t t h e e n d o f a d s o r Pt i o n s t e P 0 . 4 L一 一一` 一 一 一 一一` 一一一` 一一曰一一 0 4 8 12 16 循环 次数 图 6 产 品气纯 度 与循环 次数 的 关系 Fig · 6 eR l a iOt n s 0 f P r oI u e t p u r i yt a n d yC e le n u m b e r fo r d i月er er n t l e n gl h o f e o 址m n s 单位 长度 吸 附床 达 到吸 附饱 和所 需 的 时间越 短 , 从 而 氧气 浓度 波 锋 面前 进速 度 越 快 . 因此 , 进气 量越 大 , 在 吸 附时 间一 定 的条件 下要 求 吸 附床 的 高度 也越 大 . .2 4 吸 附床 高度 的影 响 图 5 给 出 了在不 同吸 附床 高度 条 件下 , 吸 附 阶 段 结束 时氧含 量沿 吸 附床 的分 布 曲线 . 由图可 1 . 0 一 { ~ 2 5 0 r n 〔 n 拿 0 .5[ 裂漂 壕 { 薰 ” ’ 6 0 . 4…卜 高度 条件下产 品气纯 度与 循环 次数 的关系 . 由 图 可 知 , 在 不 同吸 附床 高度 条件 下 , 循环 达 到稳 定 状态 所 需 的循环 次数 基 本相 同 , 即大约 巧 个 循 环 . 但 产 品气 的纯度 存在 明显 差 异 , 吸 附床 高 度 越 大 , 循 环达 到 稳定 后 产 品气 纯度越 高 . 而 随 吸 附床 高度 增 加 , 产 品气 纯 度增 加 幅度呈 下 降趋 势 . 因此 , 在其他工艺 参数 一定 的情 况 下存在 一 个最 优 的吸 附床 高度 , 在 该吸 附床高度条件 下产 品气 的纯 度较 高 , 而 继续增 加 吸 附床高 度对 提 高 产 品气 纯度 作用 不 大 . 3 吸 附 床 气相组 分 含量 分布特 性 .3 1 吸 附床 氧 气组 分 的分 布 图 7 和 图 8 分 别给 出了 吸附 阶段 以及 反 吹阶 段 不 同 时刻氧 含 量 沿 吸 附床 的分 布 曲线 . 从 图 7 中可 以看 出 , 在吸 附阶段 某 一 时刻氧含 量沿 吸 附 0 . 2 日. 曰. . . . . . . . . . . 里. 里及豆竺二左 三公 一 一 ~ 一一- 目 0 0 . 2 0 . 4 0 . 6 0 . 8 1 . 0 无 因 次吸 附床长 度 图 5 吸 附阶 段结 束时气 相 中氛 含量 沿吸 附床 的分 布 F馆 · 5 C o n e e n tr a n o n P or 川e s o f o xy g e n a lo n g 恤 e e o l u m n a t t h e e n d o f a d s o rP t i o o s t e P , 卜 2 5 叫 ` 4 5 , 卜 6 5 ~ 8 5 知 , 在 三种 吸 附床 高度 条 件 下 , 吸 附 阶段 结 束 时 氧 气浓 度波 锋 面均存 在 穿透 吸 附床 现 象 , 但 穿透 的程 度不 同 . 吸 附 床长 度 越短 , 浓 度波 穿透 的越 严重 , 从而 导致吸 附塔 出 口 的氧 含 量越 低 . 对 于 吸附床较 短 的微 型变 压 吸附制 氧装 置 , 浓 度波穿 透 是产 品气 纯度 低或 纯度 波 动大 的主 要 原 因 . 因 此 要 想 获得 纯 度 较 高 的产 品气 必 须避 免氧 气 浓 度 波锋 面 穿透 吸 附床 . 图 6 给 出 了在 不 同吸 附床 彭 .0 8 求 场 墨 0 · “ 犷 屏 0 . 4 0 . 2 . . . . . . . . . . . . . . . , . 巴 = ` 一 一 ~ 一 ~ ` 一- 司 0 0 . 2 0 . 4 0 . 6 0 . 8 1 . 0 无 因次 吸 附床 长 度 图 7 吸 附阶段 氧纯 度沿吸 附床 的分布 曲线 F ig . 7 o xy ge n e o n瑰n t r a iot n Por ifl e , a ol . g ht e col u m o in a d s o rP it o n s et P

Vol.26 No.2 崔红社等：SARS患者专用PSA制氧机变压吸附过程的数值模拟：计算结果及分析 ◆225· 1.0 1.0 0.8 0.8 韁 0.6 0.6 名 0.4 0.4 02 0.2 0 0.20.40.6 0.81.0 0 0.20.40.60.81.0 无因次吸附床长度 无因次吸附床长度 图8反吹阶段氯含量沿吸附床的分布曲线 图9循环达到稳定状态后各阶段结束时气相中氧含 Fig.8 Oxygen concentration profiles along the column in 量沿吸附床的分布 pressurization step Fig.9 Concentration profiles of oxygen in gas phase at the end of process steps at the cyelic steady state 床长度呈增加趋势.在浓度波锋面的前面氧含量 变化较小：氧含量在锋面位置处变化最大：在锋 吸附床相反方向呈逐渐下降趋势，没有形成浓度 面位置的后面，氧含量变化也较小.随着时间的 变化幅度较大的浓度波锋面.反吹阶段结束时刻 增加，浓度波锋面逐渐向吸附床出口端移动，最 氧含量沿吸附床呈逐渐增加趋势.由于反吹气的 后浓度波锋面穿透吸附床.在氧气浓度波锋面穿 对吸附床的清洗作用，在吸附床进口端，气相中 透吸附床之前，随时间增加吸附床出口氧含量变 的氧的摩尔分数为31%左右.而在吸附床出口 化很小.但在浓度波锋面穿透吸附床后，氧含量 端，氧含量已经达到反吹气的氧含量，反吹阶段 会迅速降低.因此，要想获得较高纯度的产品气， 结束时刻氧含量的分布为下一循环步骤—升 必须保证吸附阶段氧气浓度波锋面不穿透吸附 压阶段形成陡峭的氧含量奠定了基础.另外，从 床.由图8可以看出，在反吹阶段某一时刻氧含 图中还可以看出，在升压阶段结束时刻氧气浓度 量沿吸附床相反方向呈减小的趋势，在吸附床的 波锋面前沿已经进入到吸附床91%的位置，而其 前半段，氧含量变化幅度比较小；在吸附床的后 后沿在吸附床61%的位置（见图中虚线标柱），传 半段，氧含量变化幅度较大，在反吹阶段的不同 质区约占整个吸附床的30%左右.因此对于循环 时刻，从吸附床出口到入口氧含量的变化幅度也 周期较短的微型氧氮分离过程而言，升压阶段在 存在明显差别，即随时间增加氧含量变化幅度呈 整个循环过程中起着非常重要的作用，并且传质 减小趋势. 阻力对变压吸附过程的影响非常大，不能近似认 32各吸附阶段结束时气相组分的分布 为是瞬时平衡过程. 图9给出了循环达到稳定状态后各阶段结束 时刻吸附床中氧含量的分布曲线.由图可知，循 4结论 环达到稳定状态后，升压阶段结束时刻的氧含量 (1)利用建立的数学模型模拟了吸附时间、吸 沿吸附床呈上升趋势.在吸附床中形成了陡峭的 附压力、吸附床长度、进气量等工艺参数对微型 浓度波锋面，在浓度波锋面之前，吸附床已基本 氧氨分离过程的影响，分析了吸附床气相组分中 达到饱和状态，随吸附床高度增加氧含量的变化 氧气浓度波的演变过程. 很小.浓度波锋面所处的区域为传质区，气相组 (2)模拟结果显示，微型氧氮分离过程的最佳 分与分子筛的传质过程主要发生在该区域.气相 吸附时间小于10s,为一种短周期的变压吸附循 组分含量变化最大.在浓度波锋面的后面，氧氮 环，吸附压力越高，吸附阶段结束时氧气浓度波 分离过程已基本完成，气相组分变化很小，吸附 锋面穿透吸附床的距离越长，从而吸附床出口氧 阶段结束时刻氧含量分布曲线形状与升压阶段 含量越低.进气量对传质区长度基本没有影响， 结束时刻相似，仅仅是位置向吸附床出口方向移 而进气量越大，要求吸附床的高度越大，吸附床 动了一定的距离，降压阶段结束时刻的氧含量沿 长度缩短会导致吸附阶段氧气浓度锋面穿透吸

V心1 . 26 N o . 2 崔 红社 等 : sA R s 患者 专 用 P sA 制氧 机变 压 吸附 过程 的数 值模 拟 : 计算 结 果及 分析 1 . O r ~ — — . — ~ 一一一一一一一下 1 _ O 一 升吸降反沪压附压吹沪 只6 j ù n 斗 0 缎众场锄犷崛g 奋ù十 载求场邀名犷嘛 0 0 . 2 0 . 4 0 . 6 0 . 8 1 . 0 无 因次 吸 附床 长 度 图 8 反 吹 阶段 氧含 量沿 吸 附床 的分 布 曲线 F i g . 8 o yx g e n e o n c e n t r a ti o n P r o ifl e s a l o n g t h e c o l u m n i n Pre s s u r让a ti o n s t e P 床长 度 呈增 加趋 势 . 在 浓度 波 锋面 的前面 氧含 量 变 化较 小 ; 氧 含量 在 锋面 位 置 处 变化 最 大 ; 在 锋 面 位 置 的后 面 , 氧 含 量 变化 也 较 小 . 随着 时 间 的 增 加 , 浓 度 波 锋 面逐 渐 向吸 附床 出 口 端 移 动 , 最 后 浓度 波 锋面 穿透 吸 附床 . 在 氧 气浓 度 波锋 面 穿 透 吸 附床 之前 , 随 时间增 加 吸 附床 出 口 氧含 量变 化 很 小 . 但 在 浓 度波 锋 面 穿透 吸 附床后 , 氧 含量 会 迅速 降低 . 因此 , 要想 获得 较 高纯 度 的产 品气 , 必 须保 证 吸 附阶 段 氧气 浓 度 波 锋 面 不 穿 透 吸 附 床 . 由 图 8 可 以看 出 , 在 反 吹 阶段 某 一 时刻 氧含 量 沿吸 附床 相 反方 向呈 减 小 的趋 势 . 在 吸 附床 的 前 半段 , 氧 含 量变 化 幅度 比较 小 ; 在 吸 附床 的后 半段 , 氧 含 量 变化 幅 度较 大 . 在 反 吹阶 段 的不 同 时刻 , 从 吸 附床 出 口 到入 口 氧 含量 的变化 幅度 也 存 在 明显差 别 , 即随 时 间增加 氧含 量 变化 幅度 呈 减小 趋 势 . 3 .2 各 吸 附阶 段结 束 时气 相 组 分 的分 布 图 9 给 出了循环 达 到稳 定状 态后 各 阶段 结束 时 刻吸 附床 中氧 含量 的分布 曲线 . 由图可 知 , 循 环 达 到稳定 状态 后 , 升压 阶段 结束 时刻 的氧 含量 沿吸 附床呈 上升 趋势 . 在 吸 附床 中形成 了 陡峭 的 浓 度 波锋 面 , 在浓 度 波锋 面 之 前 , 吸 附床 已 基本 达 到饱 和状 态 , 随吸 附床 高度 增加 氧含 量 的变 化 很 小 . 浓度 波 锋面 所 处 的 区域 为传 质 区 , 气 相 组 分与 分子 筛 的传质 过程 主 要 发生在 该 区域 . 气 相 组 分含 量变 化 最 大 , 在 浓度 波 锋面 的后 面 , 氧 氮 分 离过 程 已基 本 完成 , 气 相组 分变 化 很 小 . 吸 附 阶段 结 束 时刻 氧 含 量 分布 曲线 形 状 与 升压 阶 段 结束 时刻相 似 , 仅 仅是位 置 向吸附床 出 口 方 向移 动 了一定 的距 离 . 降压 阶段 结束 时刻 的氧 含 量沿 0 0 . 2 0 . 4 0 . 6 0 . 8 1 . 0 无 因次吸 附床 长度 图 9 循环 达 到稳 定 状态 后各 阶段 结 束时 气相 中氧 含 量 沿 吸 附床 的分布 F i g . 9 C o n e e n t r a it o n P r o ifl e s o f o xy g e n i n g a s P h a s e a t t h e e n d o f P r o c e s s s t e P s a t t h e e y e l i e s t e a d y s t a t e 吸 附床相 反 方 向呈逐 渐 下 降趋势 , 没有 形 成浓度 变化 幅度 较 大 的浓度 波 锋面 . 反 吹阶段 结 束 时刻 氧含 量沿 吸 附床 呈 逐渐 增 加趋 势 . 由于反 吹气 的 对 吸 附床 的清 洗 作 用 , 在 吸 附床 进 口 端 , 气 相 中 的氧 的摩 尔 分 数 为 31 % 左 右 . 而 在 吸 附床 出 口 端 , 氧 含 量 已经 达 到 反 吹气 的氧 含量 . 反 吹 阶段 结 束 时 刻 氧 含 量 的 分 布 为 下 一循 环 步 骤 — 升 压 阶 段形 成 陡峭 的氧 含量 奠 定 了基 础 . 另 外 , 从 图中还 可 以看 出 , 在 升压 阶段 结 束 时刻氧 气浓 度 波 锋面 前 沿 已经 进入 到 吸 附床 91 % 的 位置 , 而其 后 沿 在吸 附床 61 % 的位 置 ( 见 图 中虚 线 标柱 ) , 传 质 区 约 占整个 吸 附床 的 30 % 左右 . 因此 对于 循环 周期较 短 的微 型氧 氮 分 离过 程而 言 , 升 压 阶段在 整 个循 环 过程 中起 着 非 常重 要 的作用 . 并且 传质 阻力 对变 压 吸 附过程 的影响 非常 大 , 不 能近 似认 为 是瞬 时平 衡 过 程 . 4 结 论 ( 1) 利用 建 立 的数学 模 型模 拟 了吸 附 时间 、 吸 附压 力 、 吸 附床 长 度 、 进气 量 等 工艺 参 数对 微 型 氧 氮分 离过 程 的影 响 , 分 析 了吸 附床气 相 组分 中 氧 气浓 度 波 的演 变 过 程 . (2 )模 拟 结果 显示 , 微 型氧 氮 分离 过程 的 最佳 吸 附时 间小 于 10 5 , 为 一种 短 周 期 的变 压 吸 附循 环 . 吸 附压 力越 高 , 吸 附 阶段 结 束 时氧 气 浓度 波 锋 面 穿透 吸 附床 的距 离越 长 , 从 而 吸 附床 出 口 氧 含量 越低 . 进 气 量对 传 质 区长 度 基 本没 有 影 响 , 而进 气 量越 大 , 要 求 吸 附床 的 高度 越 大 . 吸 附床 长 度缩 短 会 导 致 吸 附 阶 段氧 气 浓 度 锋 面 穿 透 吸

·226· 北京科技大学学报 2004年第2期 附床，在不同吸附床长度条件下循环达到稳定所 component adsorption-based separations:Application to 需的循环次数基本相同， pressure swing adsorption [J].Chem Eng Sci,1999,54: (3)吸附阶段浓度波锋面穿透床层是导致产 5647 品纯度下降的主要原因.要想获得较高纯度的产 4 Adelio MMM,Carlos A VC,Alirio E R.Oxygen separ- ation from air by PSA:Modelling and experiment results. 品气，必须保证氧气浓度波锋面前沿不移出吸附 Part I:Isothermal operation [J].Sep Purif Technol,2001, 床.对于微型变压吸附制氧装置，传质区长度约 24:173 占整个吸附床的30%左右.传质阻力对变压吸附 5 Sun L M,Quere P Le,Levan M D.Numerical simulation 过程的影响非常大，不能近似认为是瞬时平衡过 of diffusion-limited PSA process models by finite differ- 程 ence methods [J].Chem Eng Sci,1996,51(24):5341 6袁一，化学工程师手册M.北京：机械工业出版社， 参，考文献 2001.492 1崔红社，刘应书，乐恺.SARS患者专用PSA制氧机 7刘应书，乐恺，冯俊小，等.微型PSA制氧技术实验 变压吸附过程的数值模拟：模型建立及求解[).北 研究.北京科技大学学报，2001,23(6)：549 京科技大学学报，2004（待发表）. 8 Serbezov A.Effect of the process parameters on the length 2刘应书，崔红社，乐恺，等.SARS患者专用微型制氧 of the mass transfer zone during product withdrawal in 机工艺参数实验研究[.北京科技大学学报，2004， pressure swing adsorption cycles [J].Chem Eng Sci, 26(1):110 2001,56:4673 3 Serbezov A,Sotirchos S V.Particle-bed model for multi- 9杨锋，林贵平，赵竟全·分子筛浓缩器非等温吸附模 型[叮.北京航空航天大学学报，2002,28(1)：8 Mathematical Simulation on the PSA Process of a Special Miniature Oxygen Con- centrator for SARS Patients:Simulation Results and Analysis CUI Hongshe,LIU Yingshu,YUE Kai,ZHAO Zhi,ZHANG Dexin Mechanical Engineering School,University of Science and Technology Beijing,Beijing 100083,China ABSRACT The effects of adsorption duration,adsorption pressure,column length and feed flowrate on the presure swing adsorption(PSA)process of the miniature separation of oxygen and nitrogen were simulated mathematically. The evolvement of the profil of oxygen concentration along the column was predicted.The simulating results show that the miniature PSA process is a kind of short-time cycles,and the higher the adsorption pressure,the longer the shock profile of oxygen concentration passes through the column.With the increasing of feed flowrate,the length of the column must be extended.It is founded that a short column will cause a decrease in oxygen purity in product and the cyclic steady-state is achieved after about 15 cycles.If the high purity oxygen is expected,the shock profile must not pass through the adsorption column.The mass transfer has important influence on the performance of the miniature PSA process and the local equilibrium approximation can not be applied. KEY WORDS SARS;pressure swing adsorption;concentration profile;mathematical simulation;oxygen pro- duction

. 2 26 . 北 京 科 技 附床 . 在不 同吸 附床长度 条 件下 循环 达 到稳 定 所 需 的循 环 次数 基 本相 同 . (3 )吸 附 阶段 浓 度波 锋 面 穿透 床 层 是 导致 产 品纯 度下 降的主 要 原 因 . 要想 获得较高纯度 的产 品气 , 必 须 保证 氧气 浓度 波 锋面 前沿 不 移 出吸 附 床 . 对 于微 型 变 压 吸 附制 氧装 置 , 传质区长 度 约 占整个 吸 附床 的 30 % 左右 . 传质 阻 力对 变压 吸 附 过 程 的影 响 非常 大 , 不 能近 似认 为 是瞬 时平 衡过 程 . 参 考 文 献 崔红 社 , 刘 应 书 , 乐恺 . SA R S 患 者专 用 P SA 制 氧机 变 压 吸 附过程 的数 值模 拟 : 模 型 建立 及求 解 [J] . 北 京科技 大 学学 报 , 2 0O4( 待发 表 ) . 刘应 书 , 崔 红社 , 乐恺 , 等 . SA R S 患者 专用 微型 制氧 机 工艺 参数 实 验研 究 [J] . 北 京科 技大 学 学报 , 2 0 04 , 2 6 ( l ) : 110 S e rb e oz v A , S o ti cr ho s 5 V P叭i e l e 一 b e d m o d e l fo r m u h i - 大 学 学 报 2 004 年 第 2 期 c o m P o n e in ad s o prt i o n 一 bas e d s eP a r a t l o n s : AP Pl i e iat on t o Per s s ur e s w i gn ad s o l)r ti o n [ J ] . C he m E n g S e i , 19 99 , 54 : 5 64 7 4 A d e l i o M M M , C ar l o s A V C , A lir i o E R . o xy ge n s e Pa-r at i o n fr o m a ir b y P SA : M o de l lin g an d e xP e r lm e in er s u lst . P art l : I s o het mr a l op e r at i o n [J] . S eP P ur if eT e ho o l , 2 00 1 , 2 4 : 1 7 3 5 S un L M , Q u e er P L e , L e v an M D . N 切m ier e ia s i m u l iat o n o f d i ifj s ion 一 l而iet d P S A P r o e e s s m o d e l s by 血iet di fe r - e n e e m het o d s [ J ] . C h e m E gn S e i , 199 6 , 5 1(2 4) : 534 1 6 袁一 化学 工程 师手册 [M ] . 北京 : 机械工 业 出版社 , 2 00 1 . 4 9 2 7 刘 应 书 , 乐 恺 , 冯 俊 小 , 等 . 微型 P SA 制氧 技术实验 研 究 I JI . 北 京科 技大 学 学报 , 2 00 1 , 23 ( 6 ) : 54 9 8 S e br e oz v A . E fe ct o f het Por e e s s P a r a m et e r s on ht e l e n gt h o f ht e m as s t r a n s fer z o n e d u r i n g Por d u c t W i thd r a w al in Per s s uer s w l n g a d s o pr ti o n e y c l e s [J] . C h e m E gn S e i , 20 0 1 , 5 6 : 4 6 73 9 杨锋 , 林 贵平 , 赵 竟全 . 分 子筛 浓 缩器 非等 温吸 附模 型 [ J ] . 北 京航空 航天 大 学学报 , 20 02 , 2 8 ( l ) : 8 M a ht e m a t i c a l S im u l at i o n o n ht e P S A P r o c e s s o f a S P e c i a l M i n l a ut r e O x y g e n C o n - e e n tr at o r fo r S A R S P at i e nt s : S im u l a t i o n R e s u lt s an d A n a ly s i s C UI H d n gs h e, IL U 竹 n gs h u, r UE K d i, Z瓦咬口 hZ i, Z从 4 N G D xe in M e c h a n l e al E n g ien e r ign S e h o o l , nU iv e rs iyt o f s e i e n e e an d eT e lm o l o gy B e ij ing , B e ij in g l 0 0 0 8 3 , C h in a A B S R A C T hT e e fe e t s o f ad s o pr it o n dur at i o n , ad s o rp t ion Per s s ur e , e o l umn l e n g t h a n d fe e d fl o 叭汀a t e o n ht e rP e s uer s iw gn a d s o rp it o n ( P S A ) P r o e e s s o f ht e m in a t u r e s eP ar a tl o n o f o xy g e n an d in otr g e n w e er s im ul at e d m hat em iat e al .ly hT e e v o lV e m ent o f ht e P r o if l o f o xy g e n e o n e e n tr a t ion al o gn ht e e o 1uJ m n was P r e id e t e d . hT e s im u 1iat gn er s u 1st s h o w ht at het m i n i a t 叮e P S A rP o e e s s 1 5 a k l n d o f s h ort 一 it m e e y e l e s , 曲d ht e h ihg er het ad s o rp t ion P r e s s uer , ht e l o n g er het s h o c k rP o if l e o f o 称g e n e o cn e ntr iat o n P a s s e s t hr o u g h ht e e o l um n . V丙t h ht e i cn er a s ign o f fe e d fl o 叭汀a t e , ht e l e n gt h o f het e o l um n m u st b e e xt e dn e d . h i s fo un d e d ht at a s h ort e o 1切 m n iw ll e au s e a de e r e as e in o x y g en Pur iyt in Por du e t an d ht e cy e li e s t e a 勿 一 st at e 1 5 ac hi e v e d aft e r ab o ut 15 cy e l e s . If het h ihg P而yt o x y g e n i s e xP e e t e d , ht e s h o e k Por if l e m u st on t P a s s t hr o u hg het a d s o rpt i o n c o l u 团 nL . hT e m as s tr a n s fe r h as im P o rt a in in fl u e n e e on het P e而mr acn e o f ht e m in l a n 叮e P S A P r o e e s s an d ht e l o e al e iqu li ibr um a PP r ox im at ion e an n ot b e aP Pli e d . K E Y W O R D S S A R S : Per s suer s iw gn a d s o rp it on ; c on e e ntr at ion P r o if l e : m a t h e m at i e al s imu l at i o n ; o xy g en Por - d U C it o l