Modern Chemical Research
114教学研究2021・03
基于Aspen Adsorpt i on模拟软件解析二塔六步
*李常艳刘鹰张晓红*
(内蒙古大学化学化工学院内蒙古010021)
摘要：变压吸附作为一种新型的气体分离技术，在煤化工气体净化过程中受到化工技术人员的广泛关注.《化学工艺学》教材中针对变压吸附技术只做了简单的文字说明，没有分析其工艺流程.本文利用Aspen Adsorption模拟软件，以二塔六步式吸附工艺流程为例，对变压吸附工艺过程进行解析，以便学生深入了解变压吸附工艺的基本原理和过程。 关键词：变压吸附；Aspen Adsorption；二塔六步式
中图分类号•：T文献标识码：A
Analysis of Two Towers and Six Steps Pressure Swing Adsorption Process via Aspen
Adsorption Soft Ware
Li Changyan,Liu Ying,Zhang Xiaohong*
(College of Chemistry and Chemical Engineer,Inner Mongolia University,Inner Mongolia,010021) Abstracts Pressure s^ing adsorption p rocess is a new kind of s eparated technique,which is widely p ayed more attention by chemical technician in the p rocess of c oal chemical gas p urification.It is simply explained with a f cw words in chemical technology textbook,not to analyze its technology process.In this p aper,two towers and six steps p ressure加g adsorption process acted as a typical example is analyzed by means of A spen Adsorption software,-which is benefit to help the student to learn the principle of p ressure swing adsorption and p rocess.
Key words:pressure swing adsorption；Aspen Adsorption；two toners and six steps
近年来，随着大宗化工原料合成气产能的迅猛提升和C1化工的发展，含氢的驰放气排放量也随之增加，驰放气中不同组分的分离大多采用物理法、化学法或物理-化学法加以脱除分离，其中环保、无污
染、高热能氢能的回收利用日益受到人们的关注。变压吸附工艺(Pressure Swing Adsorption,PSA)作为一种新型气体吸附分离技术，可利用固体吸附剂通过加压吸附、减压脱附的过程使驰放气得到净化并进行分离⑷。PSA工艺具有分离效率高、自动化程度高的特性，因节能、环保、设备投资成本低、结构简易等优点，在分离提纯也、％、CH”CO、C2H4等气体的应用中受到广泛关注。鉴于内蒙古地区部分煤化工企业中采用PSA工艺处理合成气驰放气，针对地区经济发展对化工人才知识能力的需求，我们对《化学工艺学》教材中PSA工艺的内容进行了拓展。本文基于Aspen Adsorption软件，以甲醇合成驰放气为原料气，结合《化工原理》《化学反应工程》和《计算化工》等课程内容，模拟解析二塔六步变压吸附工艺流程，以便让学生深入了解PSA技术与Aspen Adsorption软件相结合在变压吸附中的应用，拓展学生的专业知识。
1•变压吸附工艺的基本原理
变压吸附工艺是根据吸附质在吸附床层上吸附性能存在差异的特性，通过规律性地变换压力从而实现混合气体的分离或提纯的过程。图1显示变压吸附工艺中温度、浓度和压力三者之间的变化关系。如图1所示，在一定条件下，当温度一定时，吸附量随着压力的升高而升高呈正相关的关系，但吸附量达到一定程度时，不再变化；压力一定的情况下，温度与吸附量呈负相关变化，温度高吸附量低図。变压吸附按其工艺的不同可分为传统的变压吸附(PSA)、真空变压吸附(Vacuum Pressure Swing Adsorption,VPSA)和快速变压吸附(Rapid Pressure Swing Adsorption,RPSA)三种循环；按回流脱附
所用的气体类型的不同，可分为分离型变压吸附(Stripping Pressure Swing Adsorption,SPSA)、富集型变压吸附(Enriching Pressure Swing Adsorption, EPSA)和双回流变压吸附(Duplex Pressure Swing Adsorption,DPS A)[3]o
图1变压吸附工艺等温曲线工作原理图
2.基于Aspen Adsorption软件模拟变压吸附工艺流程'时序和阀门的开关状态
变压吸附工艺采用二塔六步来模拟，其循环周期包括①升压/降压；②吸附/脱附；③均压降；④降压/升压；
⑤脱附/吸附；⑥均压升六个步骤。为了更好地显示变压吸附的过程，将塔内气体的流向用表1的开关状态标出，图1是Aspen Adsorption软件模拟所使用的模块流程图図
。
2021 • 03
教学研究
当代化工研究 〔I
耳
□-JVF1
f VW
JVF2
4EI-^-4ti
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表1各个阀门在每个步骤的开关状态
Bedl 和Bed2为吸附床层，VF, VF1,2, VP, VP1,2, VW, VW
l,2,VPurge 为阀门
图2双塔式变压吸附工艺（PSA ）循环周期内Aspen
Adsorption 模拟的模庆流程图
Step 123456VF 110110VF1110000VF2000110VP 010010VP1010000VP2000010VW 110110VW1000110VW2110000VPurge
011011
注：0表示“关”，1表示“开”
3.变压吸附模型和吸附模型和参数的设置
Aspen Adsorption 软件具有设计、模拟和优化化工生 产过程的功能，该软件在研究设计开发分离吸附方面具有以
作为生物的社会
下优势：（1）指导化工设计，节约实验的投入成本，缩短 化工工艺的设计周期。（2）由Aspen Adsorption 软件模拟 后可以得到各个步骤的数据，对加深工艺过程理解和动态模 拟、工艺调试有很大的帮助。（3） Aspen Adsorption 软件 可以优化生产过程的工艺参数。利用Aspen Adsorption 软件 进行模拟时，需要做以下简化假设*切。
① 假定吸附剂（固相）与吸附质（气相）之间始终处于
热平衡状态。
② 忽略吸附床层内径向的浓度、压力和温度的梯度变
化，只考虑轴向扩散。
③ 由线性驱动力（LDF ）模型作为动力学模型。④ 吸附质（气体）为理想气体。
⑤ 吸附质（气相）和吸附剂（固相）之间只存在对流传
质。
⑥ 采用朗格缪尔（Langmuir ）吸附等温线方程对吸附平
衡进行描述。
⑦床层孔隙率、总孔隙率为常数。
传质阻力式（1）以线性推动力描述，用一个总的传质 系数MTC 来表示阻力项，传递过程中没有积累，传递速率与 吸附速率相等间。
譽="曲（1/：-%：） h =- Ps 鲁
（1）
气流穿过吸附床层的压力由欧根方程表示2切：鴛=還器严呜+ "5X107嗨益捫
（2）
当气体通过吸附剂床层时，会同时在轴向和径向上发生 扩散而形成浓度梯度，综合考察气体在吸附剂床层内的传质
情况回，质量守恒方程为：
-6
巧*器+^^+磴+卩”醬=° ⑶六度分割
气体被吸附时体系要放出热量，发生解吸时则需要吸收
热量。因此，吸附质在质量传递过程中会伴随着热量传递。 热量传递主要发生在气相、固相、塔壁和各项接触的相界面 上，传热方式包括热传导、对流、反应焙以及系统与环境之
间的热辐射等，具体方程如下所示&，9-遡：
-阳箸 + CvgVgpg 警 + e b C vg pg 警 + P 鲁 + HTCap （Tg -Ts ）十鲁（Tg-To ） = O （4）
吸附等温线用Static-Isotherm model 进行静态估算，
根据Langmuir-Freundl i ch 模型预测多元吸附平衡：
n . _ qmjBjPini
/ r\
卅 _ 1+爱=1 BiP 「
2 丿
其中q ” = k 、 + kj, B = k 3exp （半）.”=心+¥
模拟过程中选择精度为二阶精度，采用中心差分法对偏 微分方程进行求解，其差分形式为⑷：
一阶偏微分：牙=七尹二阶偏微分：符号说明：
q ；：组分i 的吸附量，mol/g ；
qf ：组分i 的吸附量的饱和吸附量，mol/g ；
MTC.：组分i 的传质系数，S3
J ；：传质速率，kmol/ （m 3 • s ）；W ：形状因子；
P ：动力学黏度，Ns/m ；
P b ：堆积密度，kg/m 3；P/气体混合密度，kg/m 3；P s ：吸附剂堆积密度，kg/m 3；
q ：组分i 的浓度，mol/L ；
M.：组分i 的摩尔质量，g/mol ；
：
颗粒孔隙率；
胡冰心e i ：床层孔隙率；D/轴向扩散系数，m 2/s ；
V g ：气相空塔气速，m 2/s ；
C vg ：气相热容，kJ/ （mol • K ）；HTC ：气固相传热系数，W/ （m 2 • K ） o ap
4. Aspen Adsorption 软件变压吸附模拟结果
本文以甲醇合成驰放气为例，利用Aspen Adsorption 软 件对变压吸附过程进行模拟。甲醇合成驰放气的组成：爲含 量为65. 3%, C0为2. 4%, CO?为2. 0%, %为5. 5%, 为24.8%。
当代化工研究
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教学研究2021・03
我们来自未来2电影在一段和二段中所用的吸附剂完全一致。两段第一层均使用
活性炭作为吸附剂，第二层均使用5A型分子筛作为吸附剂。
设定变压吸附过程中吸附压力为lObar左右，脱附压力lbar
左右⑷。
表2变压吸附工艺(Pressure Swing Adsorption
PSA)时序
Step123456
时间/s30401403040140
塔1增压吸附均压降压脱附均压
塔2降压脱附均压增压吸附均压
注：时间与处理的气体相关，该时间为假设状态
表3吸附塔的参数设置
参数名称软件表示符号一段一层和二段
cs太平洋
一层
一段二层和二段
二层
吸附剂层高度/m%0.50.5
吸附剂层内直径/m%0.018550.01855床层空隙率E i0.350.35
粒子孔隙度0.610.65
总空隙度e t0.40.4
粒子半径/m入0.001150.00157
柱壁厚/m Wt0.001340.00134
温度/K T a298.15298.15 (A)Bedl吸附塔床层压力变化(B)Bed2吸附塔床层压力变化
图3吸附塔床层的压力变化情况
图3为变压吸附过程中吸附塔床层的压力变化情况。图3显示，变压吸附过程中一个循环周期压力的变化过程可分为6阶段，依次经历吸附、均压降、降压、吹扫、均压升和升压，完成一个循环周期的时间为420s o
Time/s Tlme/s
(A)Bedl吸附塔床层(B)Bed2吸附塔床层
图4变压吸附塔的床层出口处组分浓度的变化图4(A)显示，Bedl吸附塔床层中各组分气体变压吸附循环后出口浓度的变化情况。也的浓度在变压吸附循环过程中逐渐升高，经历5个循环后达到99.86%，阻、C02>CO和％组分气体的浓度呈下降趋势，经历4个循环后，出口浓度趋于0。图4(B)显示了Bed2吸附塔床层中各组分气体变压吸附循环后出口浓度的变化情况。％的浓度在变压吸附循环过程中逐渐升高，经历5个循环后接近100%,C%、叫、C0和％组分气体的浓度呈下降趋势，经历4个循环后，出口浓度趋于0。经过变压吸附后，达到了分离％、盼CH4>CO?和CO的目的。
5.结语
原料气的组成、吸附剂性能、吸附塔的组合形式、变压吸附过程中的参数控制(阀门的开度、气流的速度等)均成为变压吸附技术应用和发展过程的限制因素。以甲醇合成驰放气为原料气，结合《化工原理》
《化学反应工程》和《计算化工》等课程内容，采用Aspen Adsorption软件对变压吸附工艺进行静态模拟，有助于培养学生理论联系实践、多学科交叉学习的能力，有助于提升学生对工程问题的分析能力。另外，利用Aspen Adsorption等专业软件对变压吸附等化工工艺流程进行解析这一教学过程，有助于引导学生从事化工行业后，在生产实践中运用精准的模型进行动态模拟、参数的优化和设计开发工艺流程的智能化控制，从而确保化工工艺流程的高效运行。
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【基金项目】
(《化学反应工程》)(《化学工艺学》)建设项目，内蒙古大学本科教学改革与建设项目(NGJG-2058)
【作者简介】
李常艳(1971-)，女，博士，副教授，内蒙古大学化学化工学院；研究方向：化学反应工程和化学工艺学专业基础课和专业核心和多项催化。
【通讯作者】
张晓红(1966-)，女，博士，副教授，内蒙古大学化学化工学院；研究方向：化工原理和化工设备
。
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