分子筛变压吸附研究报告

院级本科生科技创新项目研究报告项目名称变压制富氧分子筛延长寿命的研究立项时间2014年10月计划完成时间2015年12月项目负责人储万熠学院与班级冶金与生态工程学院冶金1302班北京科技大学教务摘要变压吸附制氧关键的因素是制氧吸附剂和制氧工艺。制氧吸附剂的性能优劣和使用寿命直接影响产品气的氧浓度和收率，氮吸附容量是评价制氧吸附剂性能优劣的一项重要指标。本课题首先对分子筛进行XRF分析、XRD表征和TEM表征探究分子筛的物理及化学性质，确定对分子筛造成影响的条件。ANSYSFLUENT中的多孔介质模型可以模拟多孔介质内的流体流动、“三传一反”。PSA空分吸附床由固体吸附剂颗粒填充而成，气-固两相区可作为多孔介质，因此可基于多孔介质模型对变压吸附空分吸附床进行模拟，从而得到床层内气体的流动状态和组分浓度分布情况。为研究提高分子筛寿命的研究提供可靠有效的实验数据。

ResearchofProlongtheLifeofPressure-Swinging-Oxygen-MakingMolecularSieveAbstractThekeyfactorofthepressureswingingoxygenmakingisoxygenadsorbentandoxygenprocess.Thequalityandservicelifeofoxygenadsorbentdirectimpactontheoxygenconcentrationandyieldofproductgas,nitrogenadsorptioncapacityoftheoxygensorbentperformanceevaluationofthemeritsofanimportantindicator.ThispaperfirstdoXRFanalysis,XRDandTEMcharacterizationofphysicalandchemicalpropertiesofmolecularsieveinquirytodeterminetheimpactonmolecularsievesconditions.TheporousmediummodelinANSYSFLUENTcansimulatefluidflowinporousmedia.PSAairseparationadsorbentbedisfilledbyasolidsorbentparticles,gas-solidtwophaseregionasaporousmedium,thuscansimulatethepressureswingadsorptionairseparationadsorbentbedbasedontheporousmediummodel,resultingintheflowstatewithinthebedofgasandcomponentconcentrationdistributionforprovidingvalidandreliableexperimentaldataofimprovingmolecularsieve’slife.

目录1引言 11.1课题研究背景 11.2课题研究目的及意义 12原矿矿物学分析 22.1分子筛XRF分析 22.2分子筛XRD表征 32.3分子筛TEM表征 52.4分子筛孔隙率实验 62.4.1失活实验 62.4.2活化实验 62.4.3差热曲线 73ANSYSFLUENT模拟 83.1模型建立 83.2模拟结果 113.2.1压力云图 113.2.2速度云图 113.2.3温度云图 124FLUENT模拟结论 12参考文献 12

引言课题研究背景变压吸附制氧关键的因素是制氧吸附剂和制氧工艺。制氧吸附剂的性能优劣和使用寿命直接影响产品气的氧浓度和收率，氮吸附容量是评价制氧吸附剂性能优劣的一项重要指标。国外制氧吸附剂的氮吸附容量普遍比国内要高一些，并且在制氧稳定性方面国外制氧吸附剂比国内有很大优势，因此在相同制氧工艺上就凸显了国内制氧吸附剂的弊端。课题研究目的及意义对于制氧工艺国内外均已发展成熟，但是对变压吸附法富氧工艺的动态模拟计算的报道并不多。传统的实验研究：大部分受到设备规模、测量精度、安全隐患等外界因素的限制，存在成本高、操作周期长等缺点。纯理论分析要求对计算目标抽象化，才有可能得出理论解，而且对于非线性情况，计算过程极其复杂，想要得出解析结果就更加困难。计算流体力学通过计算机和数值方法求解流体力学的控制方程，对流体力学问题进行模拟和分析。计算流体动力学CFD(ComputationalFluidDynamic)是一种以流体为研究对象的数值模拟技术，通过计算机迭代计算和图像显示，对包含有流体流动和热传导等相关现象所作的分析，并以此预测流体运动规律的学科，方便直观。CFD是模拟流体流动和传递现象从而提高对传递现象理解、优化过程设备设计的可靠工具。CFD方法结合单纯的实验测量与传统的纯理论分析方法的优点，能够更有效的研究流体流动问题。传统的实验研究大部分受到设备规模、安全隐患(高温、高压、易燃、易爆)、测量精度等外界因素的限制，存在操作周期长，成本高，消耗大量的人力物力等缺点。理论分析要求对计算目标做抽象简化，才有可能得出理论解，而且对于非线性情况，只有少数流动才能给出解析结粜。CFD方法正是克服前面两种方法的弱点，采用强大的数值计算能力，解决用理论解析法无法求解的方程和某些由于实验技术所限，难以进行测量的问题。CFD的应用和发展，降低了研究的工作量和对计算机硬性条件和知识的要求，避免了一些非必要测试实验的次数，节省了大量成本，使CFD应用于研究流体的范围更加不断扩大，推动了流体力学更深入发展。作为研究流体流动、传热、传质和反应的新方法，计算流体力学方法应用越来越广泛。CFD软件的多孔介质模型可以模拟多孔介质内的流体流动、“三传一反”。PSA空分吸附床由固体吸附剂颗粒填充而成，气-固两相区可作为多孔介质，因此可基于多孔介质模型对变压吸附空分吸附床进行模拟，从而得到床层内气体的流动状态和组分浓度分布情况。ANSYSFLUENT中的多孔介质模型可以模拟多孔介质内的流体流动，为研究提高分子筛寿命的研究提供可靠有效的实验数据。原矿矿物学分析2.1分子筛XRF分析表2-1分子筛的XRF分析SampleSiO2Al2O3CaONa2Ohd146.336629.504414.84436.7899pu859.118136.6940.46580.3721由表中数据可得：HD-1的硅铝比=1.335PU-8的硅铝比=1.369根据硅铝比分析，两种分子筛均为X型分子筛。为八面沸石结构。图2-1八面沸石的骨架结构X型分子筛具有天然矿物八面沸石的骨架结构。属于六方晶系，空间群为Fd-3m。晶胞参数:a=24.345Åb=24.345Åc=24.345Åα=90.000°β=90.000°γ=90.000°骨架密度：13.3T/1000Å3其结构单元是β笼，相邻的β笼通过六方柱连接，形成一个超笼结构和三维孔道体系。超笼中含有4个按四面体取向的12元环孔口，其直径为7.4Å*7.4Å。2.2分子筛XRD表征1.分子筛的XRD谱图图2-2HD1的XRD表征图2-3PU8的XRD表征由HD1和PU8的XRD谱图可以看出，两种分子筛均为纯晶体。HD1的PDF卡片为PDF#39-0222，Na96Al96Si96O384·216H2O。PU8的PDF卡片为Na1.84Al2Si4O11.92·7H2O。两种分子筛均是典型的LSX型分子筛，它同时具有X型分子筛大孔融骨架结构和A型分子筛低硅铝比的特点，即Si/Al=1，因此对氮气有着更强的吸附性。2.分子筛失效前，失效后，活化后的XRD谱图对比图2-4HD1失效前，失效后，活化后的XRD谱图图2-5PU8失效前，失效后，火化后的XRD谱图由分子筛失效前，失效后，火化后的XRD谱图可知，吸水前后以及加热失水前后，分子筛的衍射位与新分子筛几乎相同，可以肯定水分并没有完全破坏分子筛的骨架结构。2.3分子筛TEM表征 图2-6HD1图2-7失效HD1由上图可知，HDI分子筛在吸水前后的微观结构并没有差别。图2-8PU8PU8分子筛表面被大量的非晶物质覆盖，无法观测其微观结构。由SEM的结果推测，其表面可能为有机粘结剂。大量的有机粘结剂覆盖在晶体表面，使得无法观察。2.4分子筛孔隙率实验 2.4.1失活实验 失效原因：在变压吸附过程中，仪器出现状况，泄露水分导致空气中含水量过高，分子筛吸水失效。其水蒸气的浓度存在偶然性，无法获得。根据失效原因，其失效使由于分子筛吸附过程失水，因此，利用实验室现有条件，使分子筛吸附脱附的过程中吸收水分。现场的条件：（1）鼓风机加压（45kpa）（2）真空泵抽真空（-50kpa）（3）控制升压降压时间实验室条件：（1）无加压设备（2）可抽真空（BET）（3）升降压过程不可调节失效过程：（1）将分子筛放在空气中自然吸附一天。（当天温度28.8℃，相对湿度57%，其空气湿度远远大于分子筛所要求的露点（-60℃），所以用这种方法可以使分子筛失效）。（2）模拟了10次吸附解吸过程。常压吸附，真空解吸。图2-9HD1图2-10PU82.4.2活化实验 活化原理：利用高温以及低压，使难解吸的水分从分子筛上脱附。现场活化：（1）干基氮气或干空气（露点低于-60℃）（2）真空加热450℃（3）运行时间无法获得实验室条件：（1）干基氮气（2）最高加热温度为400℃为了测试，400℃的情况下，分子筛是否可以有效的活化，我们做了分子筛的差热分析实验。2.4.3差热曲线图2-11HD1差热曲线图2-12PU8差热曲线由差热分析法结果可得:分子筛从常温开始加热，直到250℃左右，一直在吸热脱水，之后，脱水结束。在700~800℃时，发生晶体结构的改变。由此可以确定，400℃可以使其充分活化。活化方案：400℃下真空加热1小时。（由常温到400℃，加热40分钟，保持20分钟）将活化后的分子筛做孔隙率，强度，透镜分析，与新的分子筛作对比。ANSYSFLUENT模拟3.1模型建立图3-1吸附塔实际模型图3-2吸附塔FLUENT模型图2-2为按照实际吸附塔的尺寸，在ANSYS中，建立吸附塔的3D模型，图3-3模型中取点位置Point1（3m，0.3035m）、Point2（3m，0.607m）Point3（3m，0.9105m）、Point4（3m，1.214m）Point5（3m，1.5175m）、Point6（3m，1.821m）图3-4氧气残留体积摩尔浓度随入口流速变化图残留氧气体积摩尔浓度先降低，是因为在一定范围内，提高流体的流动速度，能够加快分子筛和气体之间的吸附作用，而且快速流动的气体能够更好地带走吸附在分子筛表面的氧气，因此残留在吸附床内的氧气体积摩尔浓度会降低；但当气体流速过快时，分子筛并不能充分地和流体组分进行吸附作用，当吸附过程结束后，残留在吸附床内的氧气体积摩尔浓度会比较低入口流速的大。图3-5吸附床内压力随监测点位置的变化曲线随着入口流体速度的增加，吸附床内分子筛层与层之间的压降会有所增大。如右图所示，当流速在3.096m/s之时，各监测点之间的压降绝对值远大于其余流速所产生的压降绝对值，即在3.096m/s条件下，分子筛层与层之间的作用力为最大，巨大的作用力很容易破坏分子筛的物理结构，造成分子筛粉化。综合以上分析，流体速度为2.096m/s时，能够有效的降低吸附床内残留的氧气体积摩尔浓度，分子筛层与层之间的压降绝对值也在可接受的范围内，这样既能保证氧气产品的纯度和效率，又能很好地保护分子筛的物理结构，不至于粉化，从而达到延长分子筛寿命的目的。表3-1CCS全年温湿度情况温度（K）饱和水蒸汽气压（Pa）全年平均水汽压（Pa）全年平均水含量（mol/m³）夏季水汽压（Pa）雨季水含量（mol/m³）278873644.2740.278750586698.40.3021686572831228906.2640.385175161982.40.4175340528817061259.0280.5258148911364.80.56998904129323391726.1820.7086127191871.20.76814386929831692338.7220.9439572292535.21.023259869全年平均相对湿度73.80%雨季相对湿度80%结合数值模拟结果以及企业实际生产情况，入口气体的温度选择为278K时，能够有效地降低原料气中的含水量，延长分子筛的使用寿命。、制氧设备降低空气的温度主要从两个方面着手：一是降低空气进入空压机时的温度；二是提高空压机末级冷却器的冷却效果。3.2模拟结果3.2.1压力云图图3-6吸附塔压力云图越靠近出口处，床层之间的压力差就越小，也就表明越靠近出口处的分子筛，寿