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吸附过程模拟(1)

2019-06-19
吸附过程模拟
      (1)传热模型及其应用物质吸附是放热过程,解吸是吸热过程,随着两个过程的进行床层温度也会随之波动,吸附床层温度的波动必然会导致吸附性能的变化。吸附性能随温度波劝幅度越大变化越明显。在这种条件下,变压吸附过程性能必须考虑到温度的影响。如果热量及时散出,吸附过程可以近似等效于等温吸附,如果放出的热量较多,温度波动幅度较大,吸附过程就是绝热或非等温吸附。其热量一般以对流和热传导的方式传递,一般忽略辐射传热。大部分传热模型都是根据能量平衡来建立的。
      ①含内热源的传热模型。此模型认为是内热源产生了传热,模型模拟吸附/脱附过程中的放热/吸热,而且把传热系数考虑为一个包含热传导、对流传热、热辐射在内的综合传热系数,此认定方式简化了热传递的表达式。内热源项是与吸附热有关的,吸附热又与吸附量有关,故内热源表达式由吸附热和吸附速率组成。
      以吸附剂为控制对象,考虑吸附柱轴向和径向热传递,建立能量平衡方程为:
    以上四个方程组简洁明了。对综合传热系数进行恰当取值,吸附过程中表现出的传热特性就能很好地被模拟。但是影响综合传热系数的因素很多,使此系数很难被确定,例如孔隙率、吸附剂的种类、颗粒的形状大小以及吸附质的气流温度、浓度、速度等都会对其造成影响。综合传热系数的难以确定造成多孔吸附剂的微传热过程难以模拟的结果。通常情况下,在吸附剂孔径分布均匀,孔结构简单的条件下进行均匀传热过程的模拟时才会采用此模型。
      含内热源的传热模型就是假设多孔介质是均匀的,各传热过程的复杂特性简化为一综合传热系数来表示,当考虑径向和轴向热传递时,就用式(2-66)表示;若只考虑轴向热传递,就用式(2-69)表示。陈焕新等用此模型模拟了吸附床的动态温度场,很好地说明了吸附床中的吸附传热特性。对于均匀的多孔介质的传热过程,含内热源的传热模型模拟结果还比较接近实际情况,但对于复杂的多孔介质,那只能用非等温模型了。
      ②热传递非等温模型。本模型考虑到吸附/脱附过程的放热/吸热,造成吸附柱内温度出现波动,从而以整个吸附柱为控制对象,其控制对象由吸附质(气相和已吸附相)、吸附剂、吸附柱壁三部分构成。一般来说,吸附柱是由导热性良好的材料做成的,从而假设吸附柱的内外壁没有温差;采用轴向扩散流动模型对气相流动进行描述;考虑到吸附作用引起的气体量变化而引起气体速度变化,因此,速度也是影响因素;在变压吸附过程中,假设相互接触的气固相瞬时达到热平衡。根据能量平衡分别以吸附柱和吸附柱壁为控制对象建立方程如下。
      吸附柱内的能量平衡方程:

 该传热模型将变压吸附过程中的吸附热和轴向热扩散以及吸附过程中的速度变化等因素考虑在内,使此非等温模型与吸附过程热传递实际情况非常接近。相较于含内热源的模型,这个模型对变压吸附过程的非等温热传递过程能进行更好地模拟,虽然与实验结果吻合较好,但是计算难度因相关的参数变量太多,方程结构复杂而相应加大。由于变压吸附过程中温度是波动的,使得变压吸附过程本来就是个动态非等温过程,这复杂性使得在研究其微尺度的传热过程时,就必须考虑众多复杂因素,因而,此模型比较广泛地应用于模拟变压吸附传热过程。
      Yun等对活性炭吸附苯过程中的传热特性用非等温模型进行了模拟,与实验结果的吻合度比较好。Chihara和Suzuki,Yang和Doong等学者曾针对不同的变压吸附分离气体过程利用非等温模型进行了研究。Farooq和Ruthven利用实验和数值模拟方法研究吸附热对吸附过程的影响后认为,在吸附过程中,吸附器壁面接触处是热传导阻力的主要产生处。以此假设吸附器壁面是热传导的阻力的集中位置,在此假设下,想准确地预测实验结果利用简单的一维模型就可以实现。利用该模型可以非常方便地考察等温过程和绝热过程条件下吸附床的温度影响情况,考察等温过程只需将模型中的传热系数值赋予一一个较大的值即可,若模型中的传热系数赋值为零,就能方便的得到绝热过程中吸附床的温度变化情况。
      ③热传递绝热模型。同样考虑吸附热的作用、相互接触的气固相瞬时达到热平衡、轴向热扩散等因素,忽略径向热传递;还考虑吸附引起的气相速度和压力变化;假若变压吸附过程中放出的时间短,热量大,该热量难以及时与外界交换,从而假设吸附柱与外界无热量传递,即是个绝热的变压吸附过程,根据以上假设,以吸附柱为控制对象的能量平衡方程为:


      用式(2-73)代替式(2-70) ~式(2-72), 采用非等温模型的初始条件和边界条件,同样联合传质速率方程和Langmuir或其他吸附平衡方程,就可以得到变压吸附各阶段的绝热动态传热模拟。该传热模型比含内热源传热模型复杂,前者只是以吸附剂为控制对象,后者是以吸附柱为控制对象,包括吸附剂和吸附质,同时兼顾了吸附质的气相速度的影响和压力变化,使得该变压吸附过程比前者更接近实际情况。
      对比热传递非等温模型,该模型简化为与外界无热量交换,没有考虑吸附柱壁和环境温度的影响。而非等温模型把吸附剂、吸附质、吸附柱壁和环境都考虑进去了,因而非等温模型比绝热模型更贴近变压吸附的真实传热过程,应用也比绝热模型广泛。但是,工业中装置的产气量大、循环周期短、床层直径大等特点使变压吸附分离的操作过程要接近于绝热条件。这些特性使床层温度波动幅度加大,总体说来,对工业化、大规模变压吸附过程的传热过程的模拟可采用此模型。

      在实际测试一些工业变压吸附装置内的温度变化时,发现床层的温度波动很大,有的超过100K,有的甚至更大,运用绝热模型对温度变化波动大时的传热特性进行了描述。Rege和Yang等学者利用绝热模型模拟了变压吸附净化含多组分杂质的空气各阶段的温度波动情况。并分析了温度波动对变压吸附过程的影响。





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