本文關(guān)鍵詞：RVPSA制氧吸附床內(nèi)流動(dòng)、傳熱傳質(zhì)及分離性能研究

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【摘要】：本文采用實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬方法對(duì)快速真空變壓吸附(rapid vacuumpressure swing adsorption,RVPSA)制氧吸附床內(nèi)流動(dòng)、傳熱傳質(zhì)及分離性能進(jìn)行系統(tǒng)地研究。建立了 RVPSA制氧過(guò)程數(shù)學(xué)模型,模型中考慮了吸附、吸附熱、軸向擴(kuò)散、氣固對(duì)流換熱等因素對(duì)質(zhì)量和能量變化的影響,并搭建了RVPSA制氧實(shí)驗(yàn)裝置,對(duì)吸附床內(nèi)的壓力、濃度和溫度等參數(shù)進(jìn)行了檢測(cè),驗(yàn)證了模型�；谒⒌臄�(shù)學(xué)模型,對(duì)RVPSA制氧吸附床內(nèi)流動(dòng)及傳熱傳質(zhì)過(guò)程進(jìn)行了系統(tǒng)地研究;在此基礎(chǔ)上,深入研究了吸附壓力和解吸壓力、充壓方式及降壓方式等關(guān)鍵因素對(duì)RVPSA制氧吸附床內(nèi)流動(dòng)、傳熱傳質(zhì)及分離性能的影響。通過(guò)對(duì)RVPSA制氧吸附床內(nèi)流動(dòng)及傳熱傳質(zhì)過(guò)程的研究,得到了各循環(huán)步驟內(nèi)吸附床內(nèi)氣流速度、吸附相氧氣及氮?dú)鉂舛群蜌怏w溫度分布及其隨時(shí)間演變的規(guī)律,并獲得了速度、濃度、溫度和氣體的吸附量在循環(huán)周期內(nèi)隨時(shí)間和壓力變化的關(guān)系。RVPSA制氧過(guò)程各個(gè)循環(huán)步驟內(nèi)速度和溫度對(duì)壓力變化的響應(yīng)較快,濃度對(duì)壓力響應(yīng)較慢;吸附床內(nèi)存在獨(dú)立的速度、濃度和溫度波,吸附階段氮?dú)鉂舛炔I(lǐng)先于溫度波。隨著吸附過(guò)程的進(jìn)行,氮?dú)鉂舛炔ê蜏囟炔ㄩg距離逐漸縮小,但在吸附結(jié)束時(shí)仍有一定距離。與傳統(tǒng)變壓吸附(pressure swing adsorption,PSA)制氧過(guò)程相比,RVPSA制氧過(guò)程濃度波和溫度波移動(dòng)速度分別提高7.3%和35.59%,且與傳統(tǒng)PSA制氧過(guò)程中濃度波和溫度波會(huì)重合的結(jié)果不同。對(duì)吸附壓力和解吸壓力影響RVPSA制氧吸附床內(nèi)流動(dòng)及傳熱傳質(zhì)的研究,得到了吸附床內(nèi)流動(dòng)及傳熱傳質(zhì)特性隨吸附壓力和解吸壓力變化的規(guī)律。在所研究的吸附壓力和解吸壓力范圍內(nèi),吸附壓力和解吸壓力的變化引起RVPSA制氧吸附床內(nèi)靠近進(jìn)氣端氣流速度的變化較小,但原料氣充壓初期氣流速度遠(yuǎn)大于順流氣體流速的極限值。吸附壓力及解吸壓力比較大時(shí),原料氣充壓和吸附階段結(jié)束后吸附相氮?dú)鉂舛容^高,在軸向形成的氧氣濃度波較陡峭,傳質(zhì)區(qū)長(zhǎng)度較短,而靠近進(jìn)氣端氣體溫度平臺(tái)的長(zhǎng)度較短,靠近出氣端溫度突然降低的區(qū)域長(zhǎng)度較長(zhǎng),床層軸向溫度梯度較大。對(duì)充壓方式和降壓方式影響RVPSA制氧吸附床內(nèi)流動(dòng)、傳熱傳質(zhì)及分離性能的研究,得到了不同充壓和降壓方式下流動(dòng)、傳熱傳質(zhì)特性及其演變的規(guī)律。RVPSA制氧過(guò)程原料氣充壓階段采用線性充壓可有效控制充壓過(guò)程氣體流速,而原料氣充壓方式對(duì)床層濃度和溫度分布影響很小。放空降壓時(shí)間較長(zhǎng)時(shí),除下凹型指數(shù)函數(shù)降壓外,其他放空降壓方式下靠近吸附床進(jìn)氣端氣流速度均小于逆流氣體流速極限值;放空降壓時(shí)間較短時(shí)采用下凹型雙曲線降壓能有效控制氣體流速。真空降壓時(shí)間的縮短有利于減小RVPSA制氧系統(tǒng)的床層因子,而隨著真空降壓時(shí)間的縮短,氣流速度逐漸增大,但除下凹型指數(shù)函數(shù)降壓外,氣流速度均小于逆流氣體流速極限值。而降壓方式只在降壓時(shí)間≤1s時(shí)對(duì)吸附床內(nèi)濃度和溫度分布的影響較大,且真空降壓方式對(duì)制氧能耗的影響較小。吸附床完成解吸后采用中間氣出氣端充壓和兩步充壓均可使靠近出氣端床層氮?dú)鉂舛炔ū粔嚎s退回,靠近出氣端床層氣體氧濃度得到快速提高,有利于獲得高濃度的產(chǎn)品氧氣,而采用中間氣兩步充壓可獲得更好的分離性能。用于中間氣出氣端充壓和兩步充壓的中間氣的壓力和氧濃度是影響床層濃度和溫度分布的關(guān)鍵參數(shù)。在深入研究RVPSA制氧吸附床內(nèi)流動(dòng)及傳熱傳質(zhì)特性的基礎(chǔ)上,提出了中間氣出氣端充壓和兩步充壓提高RVPSA制氧過(guò)程產(chǎn)氧濃度和氧氣回收率的方法,有中間氣出氣端充壓的循環(huán)產(chǎn)氧濃度比無(wú)中間氣出氣端充壓的提高15.85%,有中間氣兩步充壓的循環(huán)氧氣回收率比有中間氣出氣端充壓循環(huán)提高約5%;并分析總結(jié)工藝參數(shù)對(duì)分離性能影響的實(shí)驗(yàn)結(jié)果,獲得了 RVPSA制氧系統(tǒng)氧氣回收率和床層因子隨循環(huán)周期和吸附壓力及解吸壓力變化的規(guī)律。本文的研究結(jié)果可為深入研究RVPSA制氧過(guò)程內(nèi)在機(jī)理、掌握其分離規(guī)律提供依據(jù),為進(jìn)一步優(yōu)化快速變壓吸附制氧技術(shù)提供參考。
【學(xué)位授予單位】：北京科技大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2017
【分類(lèi)號(hào)】：TK124

【參考文獻(xiàn)】

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