Umerical study of the dynamics of air separation process by pressure swing adsorption

Abstract

Using mathematical modelling and the finite element method,we carry out thecalculation experiments to study the system connections and regularities of pressureswing adsorption process under the conditions of air separation and oxygen concentration(production). We study the influence of mode and construction variables on the dynamicsand technological indicators of the effectiveness of this process. Namely, we study theinfluence of input variables (composition and temperature of atmospheric air, air pressure atthe compressor outlet) on output variables (extraction degree, oxygen purity, unit capacity,etc.) of the studied object in a wide range of control variables (adsorption-desorption cycletime, pressure ratios at adsorption and desorption stages,and oxygen-enriched reverse airflow coefficient). Also, we study the influence of constructionparameters (layer height,particle diameter and maximum adsorption volume of the adsorbent) on the amount ofadsorption, which is equilibrium with the current concentration of the adsorptive in thegas mixture flow on the outer surface of the adsorbent granules, the value of the kineticadsorption coefficient (the coefficient of external mass transfer of the adsorptive (mainlynitrogen) from the gas phase into the adsorbent). The results of calculation experimentsallow to establish the most promising mode and constructionparameters for the optimaldesign of oxygen enrichment systems by pressure swing adsorption with varying pressure. 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 ит.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 предельно-го адсорбционного объема адсорбента) на величину адсорбции, равновесной текущей концентрации адсорбтива в потоке газовой смеси на внешней поверхности гранул ад-сорбента, значение кинетического коэффициента адсорбции(коэффициента внешней массоотдачи адсорбтива (преимущественно азота) из газовой фазы в адсорбент). Входе анализа результатов вычислительных экспериментов установлены наиболее перспективные режимные и конструктивные параметры для оптимального проектирования установок обогащения воздуха кислородом методом короткоцикловой адсорбции с изменяющимся давлением.