Numerical Research to Determine the Dominant Mechanism of Mass and Heat Transfer in Pressure Swing Adsorption Processes

В существующих математических моделях короткоцикловой безнагревной адсорбции (КБА) применяются различные допущения относительно учета механизмов массо- и теплопереноса в системе "газовая смесь-адсорбент". Увеличение количества допущений приводит к упрощению модели, снижению времени просчета одной итерации модели и одновременно к снижению ее точности. Упрощение модели особенно важно в процессах КБА, поскольку расчет модели осуществляется до циклически устойчивого состояния и составляет десятки и даже сотни циклов (итераций). Обеспечение высокой точности модели КБА и ее минимальной сложности является противоречивым требованием, поэтому важно обоснованно учитывать в модели только те механизмы переноса, которые являются преобладающими. В работе предложена математическая модель процесса КБА, которая учитывает тепловые эффекты сорбции, внешнедиффузионый и внутридиффузионый механизмы переноса адсорбтива. Проведено численное исследование для определения преобладающего механизма переноса и предложены рекомендации по использованию предпочтительной модели КБА с точки зрения ее точности и времени просчета (для процессов обогащения воздуха кислородом и разделения синтез-газа). Установлено, что для расчетов кислородных установок КБА производительностью менее 4 нл/мин целесообразно использовать изотермическую модель, что позволит сэкономить не менее 24,3 расчетного времени при потере точности не более 0,084 об. установок КБА использование изотермической модели является нецелесообразным даже при наименьшей производительности 50 нл/мин. При диаметре частиц адсорбента менее 2 мм целесообразно использовать внешнедиффузионную модель, что позволит сэкономить не менее 54,2 водородных установок при незначительной потере точности. При скорости газового потока более 0,05 м/с диффузию в газе в модели можно не учитывать. Результаты исследований могут быть использованы для расчета различных процессов КБА разделения газовых смесей: rPSA, ultra rPSA, VSA, VPSA, а также смежных процессов.

Ключевые слова

короткоцикловая безнагревная адсорбция; математическое моделирование; численное исследование; водород; кислород.

Литература

1. Ackley M.W. Medical Oxygen Concentrators: A Review of Progress in Air Separation Technology, Adsorption, 2019, vol. 25, no. 8, pp. 1437-1474. DOI: 10.1007/s10450-019-00155-w
2. Shi Wenrong, Tian Caixia, Ding Zhaoyang, Han Zhiyang, Zhang Donghui. Review on Simulation, Optimization and Control of Pressure Swing Adsorption. Journal of Chemical Engineering of Chinese Universities, 2018, vol. 32, no. 1, pp. 8-15. DOI: 10.3969/j.issn.1003-9015.2018.01.002
3. Khajuria H., Pistikopoulos E.N. Optimization and Control of Pressure Swing Adsorption Processes Under Uncertainty. AIChE Journal, 2013, vol. 59, no. 1, pp. 120-131. DOI: 10.1002/aic.13783
4. Biegler L.T., Jiang L., Fox V.G. Recent Advances in Simulation and Optimal Design of Pressure Swing Adsorption Systems. Separation and Purification Reviews, 2004, vol. 33, no. 1, pp. 1-39. DOI: 10.1081/SPM-120039562
5. Papadias D., Lee S., Ahmed S. Facilitating Analysis of Trace Impurities in Hydrogen: Enrichment Based on the Principles of Pressure Swing Adsorption. International Journal of Hydrogen Energy, 2012, vol. 37, no. 19, pp. 14413-14423. DOI: 10.1016/j.ijhydene.2012.07.057
6. Cruz P., Magalhaes F. D., Mendes A. On the Optimization of Cyclic Adsorption Separation Processes. AIChE Journal, 2005, vol. 51, no. 5, pp. 1377-1395. DOI: 10.1002/aic.10400
7. Ogawa K., Inagaki Y., Ohno A. Numerical Analysis of O_2 Concentration, Gas-Zeolite Temperatures in Two Zeolite Columns for an Oxygen Concentrator. International Journal of Heat and Mass Transfer, 2019, vol. 129, pp. 238-254. DOI: 10.1016/j.ijheatmasstransfer.2018.09.052
8. Makarem M.A., Mofarahi M., Jafarian B., Lee Chang Ha. Simulation and Analysis of Vacuum Pressure Swing Adsorption Using the Differential Quadrature Method. Computers and Chemical Engineering, 2019, vol. 121, pp. 483-496. DOI: 10.1016/j.compchemeng.2018.11.017
9. Silva B., Solomon I., Ribeiro A.M., Lee U. Hwang, Hwang Young-kyu, Chang Jongsan, Loureiro J.M., Rodrigues A.E. H-2 Purification by Pressure Swing Adsorption using CuBTC. Separation and Purification Technology, 2013, vol. 118, pp. 744-756. DOI: 10.1016/j.seppur.2013.08.024
10. Li Huiru, Liao Zuwei, Sun Jingyuan, Jiang Bingbo, Wang Jingdai, Yang Yongrong. Modelling and Simulation of Two-bed PSA Process for Separating H2 from Methane Steam Reforming. Chinese Journal of Chemical Engineering, 2019, vol. 27, no. 8, pp. 1870-1878. DOI: 10.1016/j.cjche.2018.11.022
11. Tavan Y., Hosseini S.H., Olazar M. A Note on an Integrated Process of Methane Steam Reforming in Junction with Pressure-Swing Adsorption to Produce Pure Hydrogen: Mathematical Modeling. Industrial and Engineering Chemistry Research, 2015, vol. 54, no. 51, pp. 12937-12947. DOI: 10.1021/acs.iecr.5b01477
12. Akulinin E., Golubyatnikov O., Dvoretsky D., Dvoretsky S. Optimization and Analysis of Pressure Swing Adsorption Process for Oxygen Production from Air under Uncertainty. Chemical Industry and Chemical Engineering Quarterly, 2020, vol. 26, no. 1, pp. 89-104. DOI: 10.2298/CICEQ190414028A
13. Sanchez R., Riboldi L., Jakobsen H. Numerical Modelling and Simulation of Hydrogen Production via Four Different Chemical Reforming Processes: Process Performance and Energy Requirements. Canadian Journal of Chemical Engineering, 2017, vol. 95, no. 5, pp. 880-901. DOI: 10.1002/cjce.22758
14. Ribeiro A.M., Grande C.A., Lopes F.V., Loureiro J.M., Rodrigues A.E. A Parametric Study of Layered Bed PSA for Hydrogen Purification. Chemical Enginerring Science, 2008, vol. 63, no. 21, pp. 5258-5273. DOI: 10.1016/j.ces.2008.07.017
15. Santos J.C. Study of New Adsorbents and Operation Cycles for Medical PSA Units. Departamento de Engenharia Quimica Faculdade de Engenharia da Universidade do Porto, 2005.
16. Santos J.C., Cruz P., Regala T., Magalhaes F.D., Mendes A. High-Purity Oxygen Production by Pressure Swing Adsorption. Industrial and Engineering Chemistry Research, 2007, vol. 46, no. 2, pp. 591-599. DOI: 10.1021/ie060400g
17. Dubinin M.M. Fundamentals of the Theory of Adsorption in Micropores of Carbon Adsorbents: Characteristics of Their Adsorption Properties and Microporous Structures. Carbon, 1989, vol. 27, no. 3, pp. 457-467. DOI: 10.1016/0008-6223(89)90078-X
18. Dubinin M.M. Adsorbtsia i poristost' [Adsorption and Porosity]. Moscow, VAHZ, 1972. (in Russian)
19. Poling B., Prausnitz J., O'Connell J. The Properties of Gases and Liquids. New York, McGraw-Hill, 2001. DOI: 10.1036/0070116822
20. Bering B.P., Dubinin M.M., Serpinsky V.V. On Thermodynamics of Adsorption in Micropores. Journal of Colloid and Interface Science, 1972, vol. 38, no. 1, pp. 185-194. DOI: 10.1016/0021-9797(72)90233-0
21. Dubinin M.M., Yavich M. Dynamics of Adsorption of a Multicomponent Gas Mixture. Russian Journal of Applied Chemistry, 1936, vol. 9, no. 7, pp. 1191-1203.
22. Akulinin E.I., Golubyatnikov O.O., Dvoretsky D.S., Dvoretsky S.I. The Optimal Design of Pressure Swing Adsorption Process of Air Oxygen Enrichment under Uncertainty. Bulletin of the South Ural State University. Series: Mathematical Modelling, Programming and Computer Software, 2020, vol. 13, no. 2, pp. 5-16. DOI: 10.14529/mmp200201