Numerical Study of the Dynamics of Air Separation Process by Pressure Swing Adsorption

С использованием математического моделирования и метода конечных элементов проведены вычислительные эксперименты по исследованию системных связей и закономерностей процесса короткоцикловой безнагревной адсорбции при разделении воздуха и концентрирования (получения) кислорода. Проведено изучение влияния режимных и конструктивных переменных на динамику и технологические показатели эффективности данного процесса, а именно: 1) входных переменных (состава и температуры атмосферного воздуха, давления воздуха на выходе компрессора) на выходные переменные (степень извлечения, чистоту кислорода, производительность установки и т.п.) объекта исследования в широком диапазоне варьирования управляющих переменных (длительности цикла адсорбция-десорбция, отношения давлений на стадиях адсорбции и десорбции и коэффициента обратного потока воздуха, обогащенного кислородом); 2) конструктивных параметров (высоты слоя, диаметра частиц и предельного адсорбционного объема адсорбента) на величину адсорбции, равновесной текущей концентрации адсорбтива в потоке газовой смеси на внешней поверхности гранул адсорбента, значение кинетического коэффициента адсорбции (коэффициента внешней массоотдачи адсорбтива (преимущественно азота) из газовой фазы в адсорбент). В ходе анализа результатов вычислительных экспериментов установлены наиболее перспективные режимные и конструктивные параметры для оптимального проектирования установок обогащения воздуха кислородом методом короткоцикловой адсорбции с изменяющимся давлением.

Ключевые слова

короткоцикловая безнагревная адсорбция; кислород; цеолит 13X; математическое моделирование; вычислительный эксперимент.

Литература

1. Шумяцкий, Ю.И. Промышленные адсорбционные процессы / Ю.И. Шумяцкий. - М.: КолосС, 2009.
2. Shokroo, E. Comparative Study of Zeolite 5A and Zeolite 13X in Air Separation by Pressure Swing Adsorption / E. Shokroo, D. Farsani, H. Meymandi, N. Yadoliahi // Korean Journal of Chemical Engineering. - 2016. - V. 33, № 4. - P. 1391-1401.
3. Wu, C. Experimental Study of a Novel Rapid Pressure-Swing Adsorption Based Medical Oxygen Concentrator: Effect of the Adsorbent Selectivity of N2 over O2 / C. Wu, R. Vermula, M. Kothare, S. Sircar // Industrial and Engineering Chemistry Research. - 2016. - V. 55, № 16. - P. 4676-4681.
4. Li, J.H. The Experimental Study of a New Pressure Equalization Step in the Pressure Swing Adsorption Cycle of a Portable Oxygen Concentrator / J.H. Li // Bio-Medical Materials and Engineering. - 2014. - V. 24, № 5. - P. 1771-1779.
5. Chistyakova, T.B. Joint Innovative IT Projects in the Field of Production of Polymeric Sheet Materials / T.B. Chistyakova, A.S. Razygrayev, A.N. Polosin, A.M. Araztaganova // Proceedings of the 2016 IEEE V Forum "Strategic Partnership of Universities and Enterprises of Hi-Tech Branches (Science. Education. Innovations)". - St. Petersburg: Saint Petersburg Electrotechnical University LETI, 2016. - P. 61-64.
6. Chistyakova, T.B. Computer Modelling System of Industrial Extruders with Adjustable Configuration for Polymeric Film Quality Control / T.B. Chistyakova, A.N. Polosin // Proceedings of 2017 IEEE II International Conference on Control in Technical Systems (CTS). - St. Petersburg: Saint Petersburg Electrotechnical University LETI, 2017. - P. 47-50.
7. Akulinin, E.I. Numerical Study of Cyclic Adsorption Processes of Air Oxygen Enrichment in Dynamics / E.I. Akulinin, O.O. Golubyatnikov, D.S. Dvoretsky, S.I. Dvoretsky // Journal of Physics: Conference Series. - 2019. - V. 1278, № 1. - P. 012005.
8. Ruthven, D. M. Pressure Swing Adsorption / D.M. Ruthven, S. Farooq, K.S. Knaebel. - New York, 1993.
9. Дубинин, М.М. Адсорбция и пористость / М.М. Дубинин. - М.: ВАХЗ, 1972.
10. Лыков, А.В. Тепломассообмен / А.В. Лыков. - М.: Энергия, 1978.