祝显强等：吸附及解吸压力对快速变压吸附床内速度及循环性能的影响 ·995· 附床内气流速度及循环性能的影响.为了便于与 4=k.(qi-9）. (5) RVPSA循环中速度及部分循环性能参数对比，RPSA at 循环模拟中所用吸附剂和吸附床性能参数与RVPSA 式中：k为组分i的传质系数，s;9为组分i的平衡 循环所用的性能参数相同，而制氧性能对比中采用两 吸附量，mol-kg:q:为组分i的吸附量，mol-kg. 种RPSA制氧系统中实际的实验结果. 床层压降(Ergun方程)为 2快速变压吸附制氧数值模拟 p.-15044-e2-75p1-e.(6 -u- dz d。s 2.1控制方程建立 式中：P为气相压力，Pau为气相动力黏度，Pas 为了简化模型，采取以下假设：原料空气为N2 2.2模型参数确定 (79%)和02(21%)的二元理想气体混合物：吸附等 吸附等温线采用扩展的Langmuir方程网： 温线模型采用扩展的Langmuir方程：吸附动力学模型 一，K=Kexp 采用线性推动力法(LDF):忽略径向扩散、径向浓度及 1+∑bP 温度分布：忽略吸附剂颗粒内的浓度和温度梯度：忽略 台 吸附器壁热传导和外壁传热阻力. b=B]exp (7) 气相组分质量守恒方程为 式中：P为组分i的压力，Pa;K(mol .kg.kPa)、b: 、D.dg+auc+1-tp公 正2* 证+ (1) (kPa)、K(mol.kg.kPa)、K(K)、B,(kPa)和 B2(K)为朗格缪尔参数 式中：S为组分i的摩尔浓度变化率，mlm。:D, 氧氮吸附热计算四： 「aln(P)l H 为组分轴向扩散系数，m2s;u为气流速度，ms:z L aT, RT (8) 为吸附床轴向高度，m;e。为床层空隙率P。为颗粒密 式中：R为摩尔气体常数，J.mol-.K. 度，kgm安为组分的吸附速率，mg。 吸附动力学参数计算B,四： 60D 气相总质量守恒方程为 k= Co, (9) +一 (2) dz D= (10) 式中：c为气相的摩尔浓度，mol·m3 气相能量守恒方程为 式中：D.为有效扩散系数，m2·s:e为颗粒孔隙率；T。 .aT a(Tu) PC at +p:Cr 为颗粒曲折因子：C为量纲一的亨利系数可：D,为努森 K+-(T-)-(,-.3) 扩散系数，m2s1:D为分子扩散系数，m2sl 0z2 d。 gadi 床层平均空隙率计算： 式中p为气相密度，kg·m3:C,为气相热容，Jkg. （dn/d。-2)21 (11) K:T为气体温度，K;K为气相热导率，W·m·K: e=0.38+0.073[1+(a产 T,为吸附剂温度，K;h,为气固对流换热系数，W·m2· 组分质量轴向扩散系数计算20： udp Kl:h为气壁对流换热系数，Wm2.K;d,为吸附剂 D=YD+Pe.(I+yD/(ud) (12) 颗粒直径，m;dn为吸附床直径，m;T,为吸附床壁面温 y1=0.45+0.55e (13) 度，K 吸附剂相能量守恒方程为 R.=3.35号d≤003m (14) 1-apnc要-1-ak 2 式中，y,为床层轴向曲折因子；Pe.为佩克莱特数的 极值. 1-a2(-)+p1-)云(a0) 气体与吸附剂间对流换热系数计算四： d Nu=2.0+1.1(Rea6PrB). (15) (4) 式中：Nu为努塞尔数；Re为雷诺数；Pr为普朗特数. 式中：C,为吸附剂热容，J·kg·K;K为吸附剂热导 气体与吸附器内壁间对流换热系数计算四： 率，W·m1·K;H为组分i的吸附热. Wu=140+0.013396 Re. (16) 吸附动力学采用线性推动力法为 d K祝显强等: 吸附及解吸压力对快速变压吸附床内速度及循环性能的影响 附床内 气 流 速 度 及 循 环 性 能 的 影 响． 为 了 便 于 与 ＲVPSA 循环中速度及部分循环性能参数对比，ＲPSA 循环模拟中所用吸附剂和吸附床性能参数与 ＲVPSA 循环所用的性能参数相同，而制氧性能对比中采用两 种 ＲPSA 制氧系统中实际的实验结果． 2 快速变压吸附制氧数值模拟 2. 1 控制方程建立 为了简 化 模 型，采 取 以 下 假 设: 原 料 空 气 为 N2 ( 79% ) 和 O2 ( 21% ) 的二元理想气体混合物; 吸附等 温线模型采用扩展的 Langmuir 方程; 吸附动力学模型 采用线性推动力法( LDF) ; 忽略径向扩散、径向浓度及 温度分布; 忽略吸附剂颗粒内的浓度和温度梯度; 忽略 吸附器壁热传导和外壁传热阻力． 气相组分质量守恒方程为 ci t － DL  2 ci z 2 + ( uci ) z + 1 － εb εb ρp qi t = 0． ( 1) 式中: ci t 为组分 i 的摩尔浓度变化率，mol·m － 3·s － 1 ; DL 为组分轴向扩散系数，m2 ·s － 1 ; u 为气流速度，m·s － 1 ; z 为吸附床轴向高度，m; εb为床层空隙率; ρp 为颗粒密 度，kg·m － 3 ; qi t 为组分 i 的吸附速率，mol·kg － 1·s － 1 ． 气相总质量守恒方程为 c t + u c z + c u z + 1 － εb εb ρp ∑ 2 i = ( 1 qi  ) t = 0． ( 2) 式中: c 为气相的摩尔浓度，mol·m － 3 ． 气相能量守恒方程为 ρfCf Tf t + ρfCf ( Tfu) z = Kf  2 Tf z 2 + 1 － εb εb 6hf dp ( Ts － Tf ) － 4hw εd din ( Tf － Tf ) ． ( 3) 式中: ρf为气相密度，kg·m － 3 ; Cf 为气相热容，J·kg － 1· K － 1 ; Tf为气体温度，K; Kf为气相热导率，W·m － 1·K － 1 ; Ts为吸附剂温度，K; hf为气固对流换热系数，W·m － 2· K － 1 ; hw为气壁对流换热系数，W·m － 2·K － 1 ; dp为吸附剂 颗粒直径，m; din为吸附床直径，m; TW为吸附床壁面温 度，K． 吸附剂相能量守恒方程为 ( 1 － εb ) ρpCs Ts t = ( 1 － εb ) Ks  2 Ts z 2 + ( 1 － εb ) 6hf dp ( Tf － Ts) + ρp ( 1 － εb ) ∑ 2 i = ( 1 Hi qi  ) t ． ( 4) 式中: Cs为吸附剂热容，J·kg － 1·K － 1 ; Ks为吸附剂热导 率，W·m － 1·K － 1 ; Hi为组分 i 的吸附热． 吸附动力学采用线性推动力法为 qi t = ki ( q* i － qi ) ． ( 5) 式中: ki为组分 i 的传质系数，s － 1 ; q* i 为组分 i 的平衡 吸附量，mol·kg － 1 ; qi为组分 i 的吸附量，mol·kg － 1 ． 床层压降( Ergun 方程) 为 P z = － 150μ d2 p ( 1 － εb ) 2 ε3 b u － 1. 75ρf dp ( 1 － εb ) ε3 b u2 ． ( 6) 式中: P 为气相压力，Pa; μ 为气相动力黏度，Pa·s． 2. 2 模型参数确定 吸附等温线采用扩展的 Langmuir 方程［18］: q* i = KPi 1 + ∑ 2 k = 1 bkPk ，K = K1 ( exp K2 ) T ， b = B1 ( exp B2 ) T ． ( 7) 式中: Pi为组分 i 的压力，Pa; K ( mol·kg － 1·kPa － 1 ) 、bi ( kPa － 1 ) 、K1 ( mol·kg － 1·kPa － 1 ) 、K2 ( K) 、B1 ( kPa － 1 ) 和 B2 ( K) 为朗格缪尔参数． 氧氮吸附热计算［19］ [ : ln( P) T ] f q* i = － Hi ＲT2 f ． ( 8) 式中: Ｒ 为摩尔气体常数，J·mol － 1·K － 1 ． 吸附动力学参数计算［5，20］: ki = 60De Cd2 p ， ( 9) De = εp τp ( 1 1 Dk + 1 D ) m ． ( 10) 式中: De为有效扩散系数，m2 ·s － 1 ; εp为颗粒孔隙率; τp 为颗粒曲折因子; C 为量纲一的亨利系数［5］; Dk为努森 扩散系数，m2 ·s － 1 ; Dm为分子扩散系数，m2 ·s － 1 ． 床层平均空隙率计算: εb [ = 0. 38 + 0. 073 1 + ( din / dp － 2) 2 ( din / dp ) 2 ] ． ( 11) 组分质量轴向扩散系数计算［1，20］: DL = γ1Dm + udp Pe∞ ( 1 + γ1Dm /( udp ) ) ． ( 12) γ1 = 0. 45 + 0. 55εb ． ( 13) Pe∞ = 3. 35 dp 2 ，dp≤0. 003 m． ( 14) 式中，γ1为床层轴向曲折因子; Pe∞ 为佩克莱特数的 极值． 气体与吸附剂间对流换热系数计算［21］: Nu = 2. 0 + 1. 1( Ｒe0. 6Pr1 /3 ) . ( 15) 式中: Nu 为努塞尔数; Ｒe 为雷诺数; Pr 为普朗特数． 气体与吸附器内壁间对流换热系数计算［22］: Nu = 140 + 0. 013396 d2 in dpKf Ｒe． ( 16) · 599 ·