基于双回流变压吸附工艺的空气分离模拟及分析

双回流变压吸附是一种在吸附塔中间位置进料,塔顶和塔底分别采用轻、重组分回流的变压吸附过程,能够同时生产两种高纯度、高回收率的产品气。以实验室自主合成的LiLSX分子筛为吸附剂,利用Aspen Adsorption模拟软件,对进料组成为78%N₂/21%O₂/1%Ar的实际空气进行了两塔双回流变压吸附的模拟研究。模拟结果表明：当原料气为78%N₂/21%O₂/1%Ar,吸附压力为2 bar(1 bar=10⁵ Pa),解吸压力为0.3 bar,进料量为0.4 m³/h,轻组分回流流量为0.095 L/min,重组分回流流量为5.22 L/min时,能够得到体积分数为95.67%的O₂和体积分数为98.25%的N₂,回收率分别为94.60%和99.91%。并且进一步探究了进料位置、吸附时间、轻组分回流流量、重组分产品气流量等因素对O₂和N₂两种产品气纯度和回收率的影响。     

双回流真空变压吸附空分模拟

双回流真空变压吸附(Duplex VPSA)是一种中间位置进料,塔顶和塔底分别采用轻、重组分回流的变压吸附过程,能够同时得到较高体积分数的轻、重组分产品。利用Aspen Adsorption模拟软件,以Li-X氧分子筛为吸附剂,对两塔Duplex VPSA空气分离进行了模拟研究。每个循环包含进料/轻组分回流、均压升、重组分产品升压、重组分回流/吸附、均压降、逆向降压6个步骤,在吸附压力200 kPa和解吸压力57 kPa下能够得到体积分数98.08%的氧气和体积分数97.57%的氮气,回收率分别为90.32%和98.89%。研究了不同进料位置、进料流量和回流比对产品气的体积分数和回收率的影响。结果表明,Duplex VPSA过程能够同时得到较高体积分数和回收率的氧气和氮气。     

真空变压吸附分离CH_4/N_2/O_2实验、模拟与安评

针对CH_4/N_2/O_2混合物脱氧效果差以及安全性低等问题,采用实验室自制活性炭为吸附剂,通过数值模拟和实验进行了双塔真空变压吸附(VPSA)分离25%CH_4/59%N_2/16%O_2混合物的工艺研究。通过考察进料流量和置换流量对甲烷产品纯度和回收率的影响,实验验证了数值模型的准确性。在模拟和实验的基础上,对VPSA工艺全流程进行了系统的安全性分析,并针对存在安全隐患的过程,提出一种更为安全的VPSA工艺流程。研究结果表明,通过双塔VPSA可以获得甲烷纯度为51.36%的产品气,甲烷回收率可达85.65%,存在安全隐患的过程主要集中在吸附、均压和终升压步骤,通过原料气的惰化过程,可以实现VPSA工艺的安全操作。     

快速变压吸附制氢工艺的模拟与分析

目前工业上主要通过变压吸附技术从蒸汽甲烷重整气中制取氢产品气。然而,能源需求量的快速增加使得传统变压吸附技术在产量方面的不足越发明显。为此,进行了快速变压吸附从蒸汽甲烷重整气中制取氢气的模拟研究。采用活性炭和5A分子筛作为吸附剂,并以测得的原料气中各组分在两种吸附剂上的吸附数据为基础,进行了六塔快速变压吸附工艺的数值模拟与分析。在分析了塔内温度、压力和固相的浓度分布后,探究了进料流量、双层吸附剂高度比以及冲洗进料比三个操作参数对于快速变压吸附工艺性能的影响,结果表明：原料气组成为H₂/CH₄/CO/CO₂=76%/3.5%/0.5%/20%,吸附压力为22 bar（1 bar=10⁵ Pa）,解吸吹扫压力为1.0 bar,处理量为0.8875 mol·s^-1,吸附剂床层高度比为0.5∶0.5,冲洗进料比为22.37%时,可获得H₂纯度99.90%,回收率69.88%,此时H₂产量为0.4713 mol·s^-1。相比之下,氢气纯度为99.90%时,尽管PSA工艺回收率为83.40%,但处理量只有0.39 mol·s^-1,因此H₂产量仅为0.2472 mol·s^-1。     

真空变压吸附捕集烟道气中二氧化碳的模拟、实验及分析

采用工业硅胶作为吸附剂,利用两塔变压吸附装置进行了烟道气变压吸附碳捕集实验。利用gPROMS软件建立两塔变压吸附模型对实验过程进行模拟,对比了实验和模拟的结果,验证了模型的准确性。通过两塔变压吸附可将15%的CO₂富集到74%,收率为91.52%。在模型基础上考察了变压吸附碳捕集过程中进料量、吸附时间、顺放压力与二氧化碳收率、纯度和能耗的关系,定性分析了吸附塔压力和进料量对压缩机能耗的影响。结果表明:增大进料量、延长吸附时间、降低顺放压力,可以有效提高产品气中CO₂浓度,但同时也导致收率的下降,前两者还会造成单位能耗的增加;吸附压力越高,进料流量越大,压缩机能耗越大。     

真空变压吸附捕集烟道气中二氧化碳的模拟、实验及分析

采用工业硅胶作为吸附剂,利用两塔变压吸附装置进行了烟道气变压吸附碳捕集实验。利用gPROMS软件建立两塔变压吸附模型对实验过程进行模拟,对比了实验和模拟的结果,验证了模型的准确性。通过两塔变压吸附可将15%的CO_2富集到74%,收率为91.52%。在模型基础上考察了变压吸附碳捕集过程中进料量、吸附时间、顺放压力与二氧化碳收率、纯度和能耗的关系,定性分析了吸附塔压力和进料量对压缩机能耗的影响。结果表明:增大进料量、延长吸附时间、降低顺放压力,可以有效提高产品气中CO_2浓度,但同时也导致收率的下降,前两者还会造成单位能耗的增加;吸附压力越高,进料流量越大,压缩机能耗越大。     

真空变压吸附分离氮气甲烷流程灵敏度分析与优化

首先采用实验室自制椰壳活性炭为吸附剂,进行了氮气/甲烷(65%/35%)原料气的真空变压吸附工艺(VPSA)分离实验。通过对比实验和gPROMS 动态模拟软件的分离效果,对变压吸附数学模型进行了验证,证明了所采用数学模型的准确性。在此基础上,对影响产品气甲烷纯度、回收率的关键决策变量进行了灵敏度分析。分析结果表明:产品气纯度主要由原料气流量和置换气流量来进行调控,产品气回收率则需要关键变量共同的作用才能实现最大化。依据灵敏度分析结果,对两塔分离氮气甲烷混合气的变压吸附工艺进行了动态优化。在最优的工况下,可以将进料组成为35%的甲烷富集到75%,回收率达到97.08%;从而达到对于废混合气的高效回收利用。     

规整复合吸附剂真空变压吸附分离CH4/N2工艺模拟与分析

为减少甲烷排放,实现低浓度煤层气有效资源化利用,探究了使用规整复合吸附剂真空变压吸附富集低浓度煤层气的工艺。采用静态容积法测定了甲烷、氮气在规整复合吸附剂上的吸附等温线,同时建立了包括质量、热量和动量守恒在内的严格吸附床数学模型,设计了三塔连续进料的真空变压吸附工艺并进行模拟。分析了工艺达到循环稳态后吸附床层轴向温度分布和压力变化,并且探究了进料量、解吸压力、原料气中甲烷浓度和吸附压力对纯度、回收率、工艺能耗和吸附剂产率等工艺性能的影响。模拟结果表明,在进料量为100 L·min^-1,解吸压力为0.1 bar（1 bar=0.1 MPa）,原料气甲烷浓度为30%,吸附压力为3 bar时可以生产纯度为59.07%,回收率为93.64%的富CH₄产品气,同时单位能耗为18.70 kJ·mol^-1,吸附剂产率为4.56 mol·h^-1·kg^-1。表明规整吸附剂对CH₄/N₂具有良好的吸附分离效果,能够实现低浓度煤层气中甲烷高效富集。     

新型真空变压吸附法模拟分离N_2/CH_4/CO_2

依据活性炭对各组分吸附选择性差异,提出一种新型真空变压吸附(VPSA)工艺,可以在N2/CH4/CO2的三组分体系中富集CH4,该方法在传统的重组分提浓工序中加入了CH4和CO2产品气置换步骤,适用于对含低浓度CO2的煤层气甲烷富集。利用Aspen Adsorption软件对该过程进行模拟。原料气假设为体积分数9%CH4/6%CO2/85%N2,活性炭吸附剂对N2/CH4/CO2分离因子为1/4.15/10.62。在进料温度为298 K,吸附压力为0.6 MPa,解吸压力为-0.08 MPa条件下,运行稳态后能够将甲烷浓缩到体积分数77.172%,回收率高达97.923%。同时,CH4在轻重尾气中的体积分数分别仅为0.224%和0.673%。     

真空变压吸附提纯合成气中CO的实验与模拟

采用自制的载铜活性炭为吸附剂,实验验证了CO高吸附选择性和吸附固定床数学模型的准确性。通过数值模拟研究了多塔真空变压吸附(VPSA)提纯合成气(28.2%CO/46.9%H_2/2.3%CH_4/1.2%CO_2/21.4%N_2)(V)中CO的工艺流程。15塔数值计算结果可获得99.5%(V)CO纯度和95.0%CO回收率,同时吸附剂产率高达3.36 mol CO×kgads-1×h-1,而单位能耗低至0.107 k Wh×Nm~(-3) feed。最后,系统考察了操作参数对CO吸附分离性能的影响规律。参数分析研究结果表明,解吸真空度和产品气流量都不宜过大以保证较高产品纯度和较低单位能耗,而产品纯度和回收率受进料流量和置换流量的变化波动较大,应在满足分离要求下选择最佳的进料和置换条件以获得较高的CO回收价值,从而为指导工业合成气尾气提纯CO工艺以及后续氢气纯化工艺装置的设计和调优提供了基本的操作参数。     

新型六塔旋转变压吸附制氧装置

针对变压吸附空分制氧装置的微型化趋势,研制了一种新型六塔旋转变压吸附制氧装置。本文介绍了新型装置的工作原理,且通过实验研究了六塔旋转PSA制氧过程中几个主要工艺参数对系统性能的影响。实验表明,提高转速,产品氧的纯度随之先提高后降低,对应于每个进料流量都存在一个获得最高氧纯度的最佳转速;而且,进料流量小时氧纯度较低,进料流量大时回收率降低,因此存在一个最佳进料流量;充压时间与吸附时间的比值对产品氧浓度的影响非常显著;与常见的PSA装置相比,均压步骤明显地提高了这种新型结构PSA装置的氧纯度和氧回收率。这种装置的高径比小,循环时间短,可获得92%的氧产品。     

真空变压吸附提纯沼气的实验

以煤基碳分子筛为沼气净化吸附剂,借助扫描电镜观察了碳分子筛的表面形貌,并通过物理化学吸附仪表征了碳分子筛的孔径分布。基于静态容积法测定了CO₂与CH₄在碳分子筛的静态吸附量,并估算了CO₂与CH₄在碳分子筛的动力学扩散系数。单塔穿透实验考察了吸附压力与进料流量对原料气中CO₂穿透曲线的影响,选取吸附压力为0.3 MPa,进料流量为4 L·min-1进行两塔六步真空变压吸附提纯沼气的实验研究,并考察了吸附步骤时长与产品气冲洗率对CH₄富集效果的影响。实验结果表明,吸附步骤时长为140 s,冲洗率为0.05时,产品气中CH₄纯度可达98%,收率可达82%。     

变压精馏分离醚后C_4中甲醇组分模拟研究

基于Aspen Plus模拟软件,选用UNIFAC物性方法对变压精馏分离C_4与甲醇共沸物过程进行模拟与优化。考察了理论板数、回流比及进料位置对产品质量分数和能耗的影响。确定了较佳工艺条件:加压塔理论板数为30,回流比为1.2,原料进料位置分别为第15块塔板,塔釜C_4质量分数为99.99%;低压塔理论板数为20,回流比为1.2,进料位置为第9块塔板,塔釜甲醇质量分数为99.99%。与传统萃取精馏相比,变压精馏能耗稍高,但无需引入其他组分。     

基于MPC控制技术优化VPSA制氧工艺的模拟

针对真空变压吸附制氧在gPROMS软件中建立了严格的数学模型,基于LiLSX吸附剂设计了两塔八步的真空变压吸附流程生产纯度为92%的O ₂。对此流程进行优化,其纯度和回收率有了明显的改进。在此基础上,引入实际生产中经常存在的如进料流量的变化以及吸附性能降低等扰动因素,使模拟工作更接近实际。根据产品气中O ₂纯度的反馈,采用模型辨识技术设计了MPC控制器,用于预测控制VPSA过程的动态行为。开环和闭环控制结果的对比显示,流程在设计的MPC控制下展现出更好的结果,这表明MPC控制策略可以明显改善空气分离制氧的生产过程。     

C4生产MMA原料预分馏工段的模拟优化

利用Aspen Plus模拟软件对C₄氧化生产MMA原料预分馏工段工艺流程进行模拟,并利用Aspen Plus中Sensitivity模块对T1001塔进行优化。根据物系性质选择NRTL热力学方程,采用RadFrac模块建立模拟流程并进行计算;考察了操作参数对T1001塔塔顶产品中异丁烯及正丁烷回收率的影响,得到优化的操作参数:理论塔板数97、回流比3.2、塔顶压力5.43 bar、萃取剂进料位置第11块板、萃取剂进料温度45℃,此时塔顶产品中异丁烯的回收率达99.6%,正丁烷的回收率为0.8%。     

真空变压吸附分离CH4/N2/O2实验、模拟与安评

针对CH₄/N₂/O₂混合物脱氧效果差以及安全性低等问题,采用实验室自制活性炭为吸附剂,通过数值模拟和实验进行了双塔真空变压吸附（VPSA）分离25% CH₄/59% N₂/16% O₂混合物的工艺研究。通过考察进料流量和置换流量对甲烷产品纯度和回收率的影响,实验验证了数值模型的准确性。在模拟和实验的基础上,对VPSA工艺全流程进行了系统的安全性分析,并针对存在安全隐患的过程,提出一种更为安全的VPSA工艺流程。研究结果表明,通过双塔VPSA可以获得甲烷纯度为51.36%的产品气,甲烷回收率可达85.65%,存在安全隐患的过程主要集中在吸附、均压和终升压步骤,通过原料气的惰化过程,可以实现VPSA工艺的安全操作。     

真空变压吸附提纯沼气的实验

以煤基碳分子筛为沼气净化吸附剂,借助扫描电镜观察了碳分子筛的表面形貌,并通过物理化学吸附仪表征了碳分子筛的孔径分布。基于静态容积法测定了CO2与CH4在碳分子筛的静态吸附量,并估算了CO2与CH4在碳分子筛的动力学扩散系数。单塔穿透实验考察了吸附压力与进料流量对原料气中CO2穿透曲线的影响,选取吸附压力为0.3 MPa,进料流量为4 L·min-1进行两塔六步真空变压吸附提纯沼气的实验研究,并考察了吸附步骤时长与产品气冲洗率对CH4富集效果的影响。实验结果表明,吸附步骤时长为140 s,冲洗率为0.05时,产品气中CH4纯度可达98%,收率可达82%。     

真空变温吸附捕集干烟道气中CO_2的模拟研究

为减缓气候变化,减少CO_2的排放,对真空变温吸附(TVSA)从干烟道气中捕集CO_2进行了系统的研究。以沸石13X为吸附剂,设计了实验室规模的4塔连续进料的TVSA工艺,并建立数学模型进行数值模拟。模拟结果表明,通过四塔TVSA可获得纯度为97.54%,回收率为96.79%的CO_2产品气,其产率为1.7 mol·(kgads)~(-1)·h~(-1),能耗为3.14 MJ·(kgCO_2)~(-1)。此外,考察了进料量、循环回流步骤时间、真空度对产品气纯度、回收率、吸附剂产率和工艺能耗的影响,并且分析了塔内压力与温度变化,详细探讨了塔内气固相浓度随轴向的分布。良好的工艺效果表明,TVSA有潜力成为一种能够生产高纯度高回收率的CO_2产品气,并具有良好经济效益的捕碳工艺。     

连续减压精馏分离椰子油脂肪酸的模拟研究

文章利用Aspen Plus化工模拟软件中的严格计算法RadFrac单元操作模块对椰子油脂肪酸进行了连续减压精馏分离模拟。考察了塔板数、回流比、进料位置对分离效果的影响。结果表明:采用两个精馏塔B1塔和B2塔串联操作,操作压强为2500 Pa(绝压),原料进料质量流率20 kg/h,B1塔理论板数为15,第8块塔板进料,回流比为2(体积比),塔顶可得到产物辛酸的质量流率为8.675 kg/h,质量分数可达98.58%及回收率可达99.83%。塔底物料经B2进一步分离,B2塔板数为15,第9块塔板进料,回流比为1,塔顶可得到产物癸酸的质量流率为10.86 kg/h,质量分数为99.79%及回收率为98.81%。模拟结果对实验研究及工业化生产具有指导意义。     

真空变压吸附空分制氧等温与非等温过程模拟比较

应用动态柱穿透法测定的空气中氮-氧吸附平衡数据模拟两床真空变压吸附(VSA)空分制氧中等温与非等温过程;在VSA过程模拟中探讨了吸附压力、进料流量和冲洗比等过程操作条件以及吸附过程中温度的变化对产品气氧的纯度、收率和产率的影响,为VSA空分制氧过程提供一定的设计依据。