Моделирование кинетики и динамики тепломассообменных процессов адсорбционной сепарации атмосферного воздуха неподвижным слоем гранулированных цеолитов

Цель работы: установление закономерностей кинетики и динамики сорб-ционных процессов в блоке комплексной очистки воздухоразделительных установок с учетом тепловых эффектов для повышения эффективности адсорб-ционной очистки атмосферного воздуха в плотном гранулированном слое адсорбента. Задачи исследования: – анализ современных подходов параметрического описания сорбционных процессов в плотном гранулированном неподвижном слое адсорбента в условиях генерации (поглощение теплоты); – оценка неравномерностей гидротермических полей в объеме адсорбера; – идентификация сорбционных изотерм компонентов примесей атмосферного воздуха при различных температурах и разработка на их основе микрокинетики диффузионного поглощения в бидисперсных адсорбентах (цеолитах); – разработка математических моделей сорбционных процессов с учетом тепловых эффектов; проведение вычислительных и натурных экспериментов по верификации геометрических, физико-химических и теплофизических параметров в блоке комплексной очистки воздухоразделительных установок; – разработка технических рекомендаций нивелирования теплоты адсорбции и повышение эффективности функционирования блока комплексной очистки воздухоразделительных установок. Основные выводы: 1. Проведена оценка неоднородности турбулентного поля скоростей несущей среды в адсорбере с неподвижным дисперсным слоем гранулированного адсорбента. На основе уравнения Дарси-Бринкмана-Форчхеймера в стационарном и нестационарном режимах течения исследованы радиальное и аксиальное поля скоростей, для этого была сформулирована краевая задача, решенная аналитически. Показано, что гидродинамический режим в адсорбере близок к режиму идеального вытеснении за исключением приграничной области вблизи стенки корпуса адсорбера, при этом длина гидродинамического начального участка не существенна. 2. Анализ массопереноса в вертикальном цилиндрическом зернистом слое при аксиальном вводе потока показал с помощью предложенной псевдо-диффузионной модели в формулировке начально-краевой задачи необходимость использования устройств выравнивающих поток на входе в адсорбер в виде рассевающего диска. 3. Используя принцип суперпозиций и Ленгмюровское представление об адсорбции, предложена обобщенная изотерма многокомпонентной смеси примесей (влага, диоксид углерода и ацетилен). Постоянная Генри для каждой примеси определена из эмпирического соотношения, которое показывает ее зависимость от температуры кипения при атмосферном давлении. 4. Внутригранулярный тепломассообмен рассмотрен в линейном при-ближении с использованием постулата Глюкауфа считая, что механизм переноса примесей к внутренней поверхности адсорбента определяется диффузионными механизмами: Кнудсеновским, молекулярным, поровым и Фольмеров-ским, обобщенные соотношением Босанквита. Теплота адсорбции идентифицирована из теоретической изотермы, полученной на основе двумерного уравнения Ван-дер-Ваальса. Верифицированы кинетические коэффициенты скоростей поглощения примесей адсорбентами, с помощью которых проведена оценка, показывающая увеличение температуры гранулы не менее чем на 4 К. 5. Для прогнозирования повышения температуры в адсорбере предложена модель неизотермической макродинамики процесса адсорбции, состоящей из уравнения материального баланса в несущей среде, уравнений переноса теплоты в потоке и в слое адсорбента, уравнений микрокинетики и уравнения изотерм многокомпонентных смесей с учетом зависимости величины предельных поглощений обратно пропорциональной абсолютной температуре. Вычислительный эксперимент для БКО ТКДС–100В показал, что неоднородность температурного поля может достигать 10-15 °С. Для подтверждения адекватности математической модели адсорбции был проведен натурный эксперимент, в результате которого с использованием газоанализатора были получены дан-ные о концентрации диоксида углерода в продувочном газе на стадии термической десорбции. Интерпретация экспериментальных данных проведена с помощью предложенной математической модели термической десорбции, основанная на неизотермической модели адсорбции. Из экспериментов следует, что оптимальная температура для проведения процесса адсорбции составляет 5-15 °С. С помощью модели установлено, что процесс термической десорбции является эффективным, так как скорость теплового фронта существенно меньше диффузионного. 6. Суммарное количество диоксида углерода, извлеченного из адсорбента в адсорбере в результате термической десорбции, совпадает с расчетом по количеству поглощенной примеси в процессе адсорбции. Это подтверждает качественную и количественную адекватность неизотермических моделей сорб-ции, и может являться инструментарием прогнозирования влияния теплоты адсорбции на эффективность сепарации атмосферного воздуха для существующих и вновь проектируемых БКО ВРУ. 7. На основании проведенного теоретического анализа предложены способ и устройства, позволяющие нивелировать влияние теплоты адсорбции путем расположения рекуперативного теплообменника внутри адсорберов, а также использование зонного вложения гранулированных адсорбентов, ориентированных на определенный вид примесей, характеризующихся различным размером молекул. 8. Результаты использованы в практической деятельности предприятий ОАО «НПО «ГЕЛИЙМАШ» г. Москва, АО «УКЗ» г. Екатеринбург, 929 ГЛИЦ МО РФ имени В.П. Чкалова г. Ахтубинск.