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.%. Для расчетов водородных 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% расчетного времени для кислородных установок и не менее 47.1% расчетного времени для 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.