王鵬，劉京雷，張勝中，范得權(quán)，張英，徐宏

（1 華東理工大學(xué)機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院，化學(xué)工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海200237； 2 中國(guó)石化大連石油化工研究院，遼寧 大連116050）

引 言

氫氣是一種基礎(chǔ)的工業(yè)氣體，同時(shí)也是清潔能源，被廣泛應(yīng)用于電子制造、石化、冶煉金屬等行業(yè)[1-3]。目前，氫氣的提純主要采用變壓吸附分離工藝，吸附劑顆粒呈球狀或圓柱狀。減小顆粒直徑可以提高吸附劑的傳質(zhì)速率，但同時(shí)會(huì)帶來(lái)床層流化和床層壓降增大等新問(wèn)題[4-5]；另外在快速變壓吸附較高的交變壓力和交變頻率下，顆粒尺寸減小會(huì)加速吸附劑間的磨損，隨氣流逸失或堵塞通道，降低系統(tǒng)整體效率[6-7]。

與傳統(tǒng)的顆粒狀吸附劑相比，層片狀結(jié)構(gòu)化吸附劑通過(guò)載體與吸附劑的復(fù)合，一方面可以提高吸附劑結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和流動(dòng)均勻性，避免了交變壓力下吸附劑的磨損；另一方面，結(jié)構(gòu)化吸附劑具有的高表面活性通道可以極大提高吸附劑的傳質(zhì)速率，有利于吸附裝置的高效化設(shè)計(jì)[8-10]。

Arto 等[11]使用Aspen 軟件模擬了氣體吸附分離循環(huán)過(guò)程，表明層片狀結(jié)構(gòu)化吸附劑可改善容積效率并縮短循環(huán)時(shí)間。Rezaei 等[12]通過(guò)數(shù)值模型預(yù)測(cè)了層片狀結(jié)構(gòu)化吸附劑在兩步變壓吸附（PSA）條件下的熱行為，表明在絕熱條件下使用結(jié)構(gòu)化吸附劑，床層內(nèi)溫度梯度較小，同時(shí)可以極大縮短循環(huán)時(shí)間。丁兆陽(yáng)等[13]采用Extended Langmuir 型吸附等溫線模型定量描述了多組分的動(dòng)態(tài)吸附行為，發(fā)現(xiàn)氣體吸附過(guò)程中膜阻力是主要阻力，傳質(zhì)速率隨溫度升高而升高。Rezaei 等[14]通過(guò)建立數(shù)學(xué)模型，研究了層片狀結(jié)構(gòu)化吸附劑中流速對(duì)壓降、傳質(zhì)區(qū)長(zhǎng)度和比生產(chǎn)率的影響，表明壓降和傳質(zhì)區(qū)長(zhǎng)度與流速呈正相關(guān)，而比生產(chǎn)率存在最佳流速值。居沈貴等[15]使用FLUENT 研究了多組分氣體在吸附劑上的吸附特性，利用單組分實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的模型參數(shù)實(shí)現(xiàn)了對(duì)多組分動(dòng)態(tài)曲線的預(yù)測(cè)。

但是，目前對(duì)結(jié)構(gòu)化吸附床結(jié)構(gòu)參數(shù)和工藝參數(shù)等對(duì)吸附劑容量和傳質(zhì)系數(shù)的影響則研究較少。

本文采用浸涂法制備基于泡沫鎳載體的結(jié)構(gòu)化5A分子篩吸附材料，并搭建吸附劑動(dòng)力學(xué)性能參數(shù)測(cè)試和吸附性能評(píng)價(jià)系統(tǒng)?；贔LUENT模擬研究了吸附床結(jié)構(gòu)參數(shù)和工藝參數(shù)對(duì)吸附劑吸附性能的影響規(guī)律，為結(jié)構(gòu)化吸附劑開發(fā)和吸附床的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供參考。

1 數(shù)學(xué)模型的建立

1.1 模型的基本假設(shè)

吸附床內(nèi)部結(jié)構(gòu)具有對(duì)稱性，取一個(gè)氣體通道及兩側(cè)各1/2 厚度結(jié)構(gòu)化吸附劑，建立二維吸附模型[16-17]。在建立吸附數(shù)學(xué)模型過(guò)程中，進(jìn)行如下假設(shè)：

（1）氣體流動(dòng)符合Darcy 定律，床層內(nèi)氣體流動(dòng)為層流，忽略慣性阻力項(xiàng)[18]；

（2）吸附床內(nèi)氣體的壓力為中低壓，溫度為常溫，將氣體視為理想氣體[19]；

（3）吸附床內(nèi)吸附熱和脫附熱較小，不考慮溫度的變化[19]；

（4）雙組分Langmuir 方程描述吸附床中的吸附平衡現(xiàn)象[20]；

（5）LDF模型描述傳質(zhì)速率。

1.2 數(shù)學(xué)模型

1.2.1 連續(xù)性方程 氣相各組分滿足質(zhì)量守恒方程[21]：

總體質(zhì)量守恒方程：

吸附床內(nèi)的流動(dòng)為層流時(shí)，壓力降與氣體流速呈正比，層片吸附劑間的壓降為[22]：

根據(jù)Darcy定律[18]，氣體在多孔介質(zhì)中黏性阻力系數(shù)為：

1.2.2 吸附相傳質(zhì)速率方程 氫、氮分子在結(jié)構(gòu)化5A 分子篩內(nèi)的傳質(zhì)速率可由線性驅(qū)動(dòng)力模型表示為[19]：

1.2.3 兩相平衡模型方程 兩相平衡模型方程采用雙組分的Langmuir方程計(jì)算，其方程為[23-24]：

1.2.4 吸附相總傳質(zhì)系數(shù) 在微孔中，當(dāng)微孔直徑大于吸附質(zhì)分子平均自由程時(shí)，分子呈現(xiàn)出自由擴(kuò)散形式。雙組分分子擴(kuò)散系數(shù)Dm為[25]：

當(dāng)微孔直徑小于吸附質(zhì)分子平均自由程時(shí)，碰撞在擴(kuò)散中占據(jù)主要地位。此時(shí)的吸附機(jī)理由Knudsen擴(kuò)散來(lái)描述[26]，Knudsen擴(kuò)散系數(shù)Dk為：

5A 分子篩孔道直徑為0.5 nm，分子擴(kuò)散和Knudsen 擴(kuò)散同時(shí)發(fā)生，即過(guò)渡區(qū)有效擴(kuò)散介于分子擴(kuò)散和Knudsen 擴(kuò)散之間，此時(shí)氮?dú)庠?A 分子篩孔道中的有效擴(kuò)散系數(shù)De為[26]：

膜傳質(zhì)系數(shù)kf由式（12）計(jì)算[11]：

由以上可計(jì)算傳質(zhì)系數(shù)k為[14]：

1.3 邊界條件和計(jì)算方法

在CFD 軟件FLUENT15.0 多孔介質(zhì)模型的基礎(chǔ)上，通過(guò)添加質(zhì)量源項(xiàng)表現(xiàn)吸附現(xiàn)象，動(dòng)量源項(xiàng)表現(xiàn)床層阻力，計(jì)算使用雙精度非穩(wěn)態(tài)模型。采用用戶自定義函數(shù)（UDF）功能，將傳質(zhì)速率模型和兩相平衡模型與多孔介質(zhì)模型耦合，反映氣-固兩相傳質(zhì)。吸附床模型參數(shù)及初始值如表1所示。

表1 吸附床模型參數(shù)及初始值Table 1 Adsorption bed model parameters and initial values

1.4 數(shù)據(jù)處理

以吸附時(shí)間為橫坐標(biāo)，相對(duì)濃度為縱坐標(biāo)，繪制目標(biāo)氣體穿透曲線，由臨界穿透時(shí)間、目標(biāo)氣體初始濃度和吸附后目標(biāo)氣體濃度計(jì)算得到吸附劑動(dòng)態(tài)吸附量。目標(biāo)氣體的穿透吸附量qb和飽和吸附量qe分別由式(14)、式(15)計(jì)算[27]，吸附床無(wú)效層長(zhǎng)度（LUB）和 床 層 利 用 率（β）分 別 由 式(16)、式(17)計(jì)算[28]：

2 實(shí)驗(yàn)部分

2.1 層片式結(jié)構(gòu)化5A分子篩的制備

將5A分子篩粉末與去離子水混合，保持固含量為70%～80%，向混合液中加入適量的可溶性淀粉作造孔劑，聚乙二醇作分散劑，鋁溶膠和硅溶膠作黏結(jié)劑，球磨混合30 min，配制5A 分子篩漿液；采用浸涂法將漿液涂覆于預(yù)處理過(guò)的泡沫鎳基體上，60℃溫度下緩慢烘干，然后置于馬弗爐中焙燒2 h，制備成層片狀結(jié)構(gòu)化5A分子篩吸附材料[29]。

2.2 結(jié)構(gòu)化5A 分子篩和商用5A 分子篩球吸附分離氫氣/氮?dú)獾男阅鼙容^

在室溫下，吸附壓力為0.4 MPa，分別測(cè)量了結(jié)構(gòu)化5A 分子篩吸附材料和商用5A 分子篩球（粒徑1 mm，上海環(huán)球分子篩有限公司）在體積流量為80 ml·min-1的工況下對(duì)氫氣/氮?dú)饣旌蠚獾奈酱┩盖€，如圖1所示；并計(jì)算氮?dú)馕搅?，如?所示。

圖1 吸附劑結(jié)構(gòu)對(duì)H2和N2穿透曲線的影響Fig.1 Effect of different adsorbent structure on H2and N2 breakthrough curve

表2 不同吸附劑結(jié)構(gòu)下N2吸附量Table 2 N2 adsorption capacity of different adsorbent structure

由圖1 可以看出，相同的工況下，結(jié)構(gòu)化5A 分子篩穿透點(diǎn)提前于5A分子篩顆粒，且穿透曲線更陡峭，具有更短的吸附波前，由此可以判斷結(jié)構(gòu)化吸附材料具有更短的傳質(zhì)區(qū)。由于氫氣與氮?dú)獾母?jìng)爭(zhēng)吸附，導(dǎo)致氫氣的流出濃度高于原料氣中的濃度，穿透曲線出現(xiàn)“駝峰”。由表2分析，不同結(jié)構(gòu)形式下，結(jié)構(gòu)化5A 分子篩有效成分吸附量（除去多孔鎳、黏結(jié)劑）略有降低，可能是由于吸附材料部分孔道被堵塞。

2.3 模型參數(shù)測(cè)定

采用美國(guó)Micromeritics Instrument 公司的ASAP2050 物理吸附儀，對(duì)制備的5A 分子篩進(jìn)行吸附等溫線測(cè)量，測(cè)量壓力從高真空到1000 kPa，測(cè)量溫度為25℃，實(shí)驗(yàn)氣體為H2和N2，純度為99.99%。按式（8）對(duì)吸附等溫線進(jìn)行Langmuir 方程參數(shù)擬合，結(jié)果見表3。

表3 N2和H2在5A分子篩上的Langmuir擬合參數(shù)Table 2 Fitting parameters of Langmuir model for N2 and H2 adsorption on 5A molecular sieve

2.4 CFD模型驗(yàn)證

吸附床為200 mm×50 mm×10 mm 的不銹鋼槽，槽內(nèi)填充層片狀結(jié)構(gòu)化5A分子篩吸附劑，所用混合原料氣由上海偉創(chuàng)標(biāo)準(zhǔn)氣體分析有限公司提供，混合氣中氫氣/氮?dú)獾捏w積比為3∶1。原料氣及吸附床出口氣的組分采用浙江福立分析儀器有限公司的GC9790氣相色譜儀進(jìn)行測(cè)量，原料氣的流量采用質(zhì)量流量控制器進(jìn)行控制，系統(tǒng)壓力通過(guò)背壓閥進(jìn)行設(shè)定。實(shí)驗(yàn)測(cè)定結(jié)構(gòu)化5A 分子篩吸附劑對(duì)氫氣/氮?dú)饣旌蠚獾奈酱┩盖€，實(shí)驗(yàn)裝置如圖2所示。

圖2 吸附劑性能評(píng)價(jià)系統(tǒng)Fig.Adsorbent performance evaluation system

圖3 氮?dú)鈱?shí)驗(yàn)和模擬穿透曲線的比較Fig.3 Comparison of N2experimental and simulation breakthrough curve

采用建立的CFD 模型模擬不同操作條件下吸附床對(duì)氫氣/氮?dú)饣旌蠚獾奈竭^(guò)程。將模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行比較，如圖3 所示。結(jié)果表明，CFD模擬數(shù)據(jù)與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)吻合良好。

在模型正確的基礎(chǔ)上，研究了結(jié)構(gòu)化吸附劑層片間距、吸附劑厚度等結(jié)構(gòu)參數(shù)和吸附壓力、進(jìn)氣流量等工藝參數(shù)對(duì)氣體吸附的影響。

3 結(jié)果與討論

3.1 層片間距對(duì)吸附性能的影響

利用FLUENT 模擬了吸附劑層片間距分別為0.2、0.5、0.8 mm 時(shí)的穿透曲線，設(shè)定吸附壓力為0.4 MPa，進(jìn)氣流量為100 ml·min-1，結(jié)果如圖4所示。由式(13)～式(15)計(jì)算得傳質(zhì)系數(shù)、穿透吸附量和飽和吸附量，如表4所示。

圖4 不同層片間距下H2和N2穿透曲線的比較Fig.4 Comparison of breakthrough curves of H2and N2 with different laminate spacing

表4 層片間距對(duì)氮?dú)鈧髻|(zhì)系數(shù)和吸附劑容量的影響Table 4 Effect of laminate spacing on mass transfer coefficient and adsorbent loading for nitrogen

由圖4 和表4 可見，層片間距增加，穿透時(shí)間提前，傳質(zhì)區(qū)變長(zhǎng)，曲線變緩；層片間距從0.2 mm 增至0.5 mm、0.5 mm 增至0.8 mm 時(shí)，氮?dú)鈧髻|(zhì)系數(shù)的降幅分別為62.3%和41.3%。由于層片間距小的傳質(zhì)系數(shù)大、穿透晚，間距大的傳質(zhì)系數(shù)小、穿透早，同時(shí)間距的改變并未影響飽和吸附量，因此穿透曲線在穿透點(diǎn)之后出現(xiàn)交叉。

在吸附分離過(guò)程中，氫氣相對(duì)于氮?dú)馐侨跷浇M分，隨著吸附的進(jìn)行，已經(jīng)在吸附點(diǎn)的氫氣不斷被后來(lái)的氮?dú)庵脫Q流出，導(dǎo)致氫氣組分在氮?dú)獯┩更c(diǎn)前，濃度高于入口濃度，c/c0>1。隨著層片間距增大，Peclet數(shù)[30]增大，床層對(duì)流效應(yīng)增強(qiáng)，同時(shí)間距增大使床層堆密度減小，空隙率增大，氣體在吸附床內(nèi)的流動(dòng)阻力減小，氣體快速通過(guò)通道，穿透時(shí)間縮短。間距增大使垂直方向上的氣體濃度梯度減小，根據(jù)Fick 公式[23]，則擴(kuò)散過(guò)程推動(dòng)力減小，同時(shí)膜傳質(zhì)系數(shù)和有效擴(kuò)散系數(shù)與層片間距呈負(fù)相關(guān)，因此總傳質(zhì)系數(shù)減小，穿透曲線變緩。氣體濃度梯度減小使擴(kuò)散通量減小，因此氣體穿透吸附量呈遞減趨勢(shì)。

3.2 層片厚度對(duì)吸附性能的影響

圖5 不同層片厚度下H2和N2穿透曲線的比較Fig.5 Comparison of breakthrough curves of H2and N2 with different laminate thickness

表5 層片厚度對(duì)氮?dú)鈧髻|(zhì)系數(shù)和吸附劑容量的影響Table 5 Effect of laminate thickness on mass transfer coefficient and adsorbent loading for nitrogen

利用FLUENT 模擬了層片厚度為0.4、0.6、0.8 mm 時(shí)的穿透曲線，設(shè)定吸附壓力為0.4 MPa，進(jìn)氣流量為100 ml·min-1，結(jié)果如圖5 所示。由式(13)～式(15)計(jì)算可得傳質(zhì)系數(shù)、穿透吸附量和飽和吸附量，如表5所示。

由圖5 和表5 可見，吸附劑厚度增加，穿透時(shí)間和飽和時(shí)間延后，傳質(zhì)區(qū)變長(zhǎng)，曲線斜率減小，曲線變緩；吸附劑厚度從0.4 mm 增至0.6 mm、0.6 mm 增至0.8 mm 時(shí)，氮?dú)鈧髻|(zhì)系數(shù)分別降低32.5%和24.1%，飽和吸附量分別增加33.2%和15.5%。

在吸附床中，被氮?dú)庵脫Q出的氫氣，加上吸附床接近飽和后流出的氫氣，結(jié)果流出的氫氣濃度高于其進(jìn)口濃度，并一直持續(xù)至氮?dú)忾_始穿透。隨著厚度的增大，床層空隙率減小，堆密度增大，穿透容量呈增大趨勢(shì)，氮?dú)獾拇┩盖€沿著時(shí)間軸向右移動(dòng)，吸附達(dá)到平衡所需的時(shí)間增大；另一方面，孔傳質(zhì)系數(shù)與吸附劑厚度呈負(fù)相關(guān)，隨著厚度增大，孔傳質(zhì)系數(shù)減小，導(dǎo)致總傳質(zhì)系數(shù)減小。

3.3 吸附壓力對(duì)吸附性能的影響

利用FLUENT 模擬吸附壓力分別為0.2、0.4、0.8 MPa 情況下的穿透曲線，設(shè)定吸附劑厚度為0.8 mm，層片間距為0.2 mm，進(jìn)氣流量為100 ml·min-1，結(jié)果如圖6所示。由式(13)～式(15)計(jì)算傳質(zhì)系數(shù)、穿透吸附量和飽和吸附量，如表6所示。

圖6 不同吸附壓力下H2和N2穿透曲線的比較Fig.6 Comparison of breakthrough curves of H2 and N2 for different pressure

表6 吸附壓力對(duì)氮?dú)鈧髻|(zhì)系數(shù)和吸附劑容量的影響Table 6 Effect of adsorption pressure on mass transfer coefficient and adsorbent loading for nitrogen

由圖6 和表6 可見，吸附壓力從0.2 MPa 升至0.4 MPa、0.4 MPa 升至0.8 MPa 時(shí)，N2的穿透吸附量的增幅依次為27.9%和17.0%，飽和吸附量的增幅依次為27.5%和21.9%；c/c0為0.5時(shí)所對(duì)應(yīng)的時(shí)間增大，穿透曲線均保持陡峭，但趨緩，傳質(zhì)系數(shù)的降幅依次為13.4%和18.2%。依據(jù)文獻(xiàn)[14]，層片狀結(jié)構(gòu)化5A 分子篩吸附劑較相同工況下顆粒狀吸附劑的傳質(zhì)系數(shù)提高約66%。

隨著吸附進(jìn)行，兩種氣體進(jìn)行競(jìng)爭(zhēng)吸附，弱吸附組分氫氣在氣相中得到濃縮，其濃度高于進(jìn)口濃度，至氮?dú)獯┩搁_始出現(xiàn)下降，直至與進(jìn)口濃度相等。當(dāng)吸附壓力增大時(shí)，分子擴(kuò)散系數(shù)減小，總傳質(zhì)系數(shù)減?。辉趦山M分體系的多孔吸附中，吸附壓力增大，氮?dú)夥謮涸龃?，分子篩對(duì)N2的飽和吸附量亦會(huì)增大，吸附穿透時(shí)間和飽和時(shí)間均延長(zhǎng)。同時(shí)隨著壓力的不斷增大，吸附量的增加幅度變小，表明壓力增加到一定程度，壓力對(duì)吸附容量的影響減弱。

3.4 進(jìn)氣流量對(duì)吸附性能的影響

圖7 不同進(jìn)氣流量下H2和N2穿透曲線的比較Fig.7 Comparison of breakthrough curves of H2 and N2 for different inlet flow

表7 進(jìn)氣流量對(duì)氮?dú)鈧髻|(zhì)系數(shù)和吸附容量的影響Table 7 Effect of flow rate on mass transfer coefficient and adsorbent loading for nitrogen

利用FLUENT 模擬進(jìn)氣流量為60、100、140 ml·min-1情況下的穿透曲線，設(shè)定吸附劑厚度為0.8 mm，層片間距為0.2 mm，吸附壓力為0.4 MPa，結(jié)果如圖7所示。由式(13)～式(15)計(jì)算傳質(zhì)系數(shù)、穿透吸附量和飽和吸附量，如表7所示。

由圖7 和表7 可見，進(jìn)氣流量增加，穿透曲線向右移動(dòng)，穿透時(shí)間和吸附飽和時(shí)間均縮短。穿透曲線趨陡，傳質(zhì)區(qū)前沿波幅變短，傳質(zhì)區(qū)減小。當(dāng)進(jìn)氣 流 量 由60 ml·min-1增 至100 ml·min-1、100 ml·min-1增至140 ml·min-1時(shí)，傳質(zhì)系數(shù)的增幅分別為5.1%和9.9%，氮?dú)獾娘柡臀搅康脑龇謩e為2.7%和-3.2%。與文獻(xiàn)[14]相比，層片狀結(jié)構(gòu)化5A 分子篩吸附劑較相同工況下顆粒狀吸附劑的傳質(zhì)系數(shù)提高約53%。

由于氫氣是弱吸附組分，在氮?dú)馕创┩钢埃隹谔幹饕獮闅錃?，在穿透曲線中表現(xiàn)為出現(xiàn)氫氣“平臺(tái)”，其維持時(shí)間越長(zhǎng)，表明兩種氣體分離效果越好，工況也越有利于吸附的進(jìn)行。氣體的總傳質(zhì)系數(shù)與膜傳質(zhì)系數(shù)、孔傳質(zhì)系數(shù)有關(guān)，其中膜傳質(zhì)系數(shù)與Reynolds 數(shù)呈正相關(guān)。隨著流速增大，Reynolds數(shù)增大，膜傳質(zhì)系數(shù)增大，最終總傳質(zhì)系數(shù)增加，但并不呈比例增加；另一方面，增大氣體流速，進(jìn)入吸附床內(nèi)的吸附質(zhì)增多，吸附加快，在更短時(shí)間內(nèi)實(shí)現(xiàn)飽和。當(dāng)進(jìn)氣流量較小時(shí)，Peclet 數(shù)小于1，氣體擴(kuò)散效應(yīng)影響較大，氮?dú)夥肿涌筛鞌U(kuò)散進(jìn)入吸附材料間隙及5A分子篩孔道內(nèi)，因此當(dāng)進(jìn)氣流速小于臨界流速，吸附劑的飽和吸附量基本不變；當(dāng)體積流量較大時(shí)，氣體對(duì)流效應(yīng)顯著，氮?dú)庠谕ǖ纼?nèi)停留時(shí)間縮短，吸附劑飽和吸附量減小。

3.5 無(wú)效層長(zhǎng)度和床層利用率

吸附床無(wú)效層長(zhǎng)度和厚度利用率是設(shè)計(jì)吸附床和評(píng)價(jià)吸附床性能的重要參數(shù)。吸附床長(zhǎng)度一定時(shí)，無(wú)效層長(zhǎng)度越小，其床層利用率越高。依據(jù)不同工況下的穿透曲線（圖4～圖7）數(shù)據(jù)，采用式(16)、式(17)計(jì)算無(wú)效層長(zhǎng)度（LUB）和床層利用率（β），結(jié)果見表8。

表8 無(wú)效層長(zhǎng)度和床層利用率Table 8 Length of unused bed and bed saturation degree

由表8 可見，吸附床結(jié)構(gòu)參數(shù)和工藝參數(shù)對(duì)無(wú)效層長(zhǎng)度和床層利用率影響顯著。層片間距從0.2 mm 增加至0.8 mm，β減小約11.8%，LUB 增大約11.4%；層片厚度從0.4 mm 增加至0.8 mm，β減小約25.1%，LUB 增大約53.8%，減小厚度有利于提高床層利用率，但吸附劑負(fù)載量減小。吸附壓力由0.2 MPa 增大至0.8 MPa，β增大約24.2%，LUB 減小約20.8%；進(jìn)氣流量由60 ml·min-1增加至140 ml·min-1時(shí)，β減小約24.8%，LUB 增大約37.3%。增大吸附壓力，減小層片間距、層片厚度和進(jìn)氣流量可減小無(wú)效層長(zhǎng)度，并提高床層利用率。

4 結(jié) 論

CFD 模擬表明結(jié)構(gòu)參數(shù)和工藝參數(shù)影響氫氣/氮?dú)庠趯悠瑺罱Y(jié)構(gòu)化5A 分子篩吸附床中的吸附過(guò)程。

（1）不同工況下，結(jié)構(gòu)化5A 分子篩吸附材料對(duì)H2和N2的吸附穿透曲線均為陡峭的“S”形，由于吸附劑選擇性吸附，弱吸附組分氫氣在氮?dú)獯┩盖俺霈F(xiàn)c/c0>1的情況。

（2）減小層片間距或吸附劑厚度有利于提高傳質(zhì)速率，降低無(wú)效層長(zhǎng)度，并提高床層利用率。

（3）減小吸附壓力或增大進(jìn)氣流量有利于提高傳質(zhì)速率，同時(shí)縮短穿透時(shí)間。

（4）相同工況下，結(jié)構(gòu)化吸附劑較顆粒吸附劑傳質(zhì)系數(shù)明顯提高，氣體傳質(zhì)阻力更小。

（5）由于層片狀結(jié)構(gòu)化吸附材料表面規(guī)整，通道內(nèi)流動(dòng)均勻分布，傳質(zhì)阻力較低，穿透曲線前沿形狀更加陡峭，傳質(zhì)速率更高，因此具有較高的實(shí)際工業(yè)應(yīng)用價(jià)值。

符 號(hào) 說(shuō) 明

bi——組分i的Langmuir吸附平衡常數(shù)，Pa-1

cb——穿透點(diǎn)時(shí)出口處氮?dú)獾馁|(zhì)量分?jǐn)?shù)

c0——混合氣初始氮?dú)赓|(zhì)量分?jǐn)?shù)

De——有效擴(kuò)散系數(shù)，m2·s-1

Dk——Knudsen擴(kuò)散系數(shù)，m2·s-1

Dm——雙組分分子擴(kuò)散系數(shù)，m2·s-1

Dmi——組分i的擴(kuò)散系數(shù)，m2·s-1

d——吸附劑層片間距，m

k——傳質(zhì)系數(shù)，s-1

k2——彎曲系數(shù)

LUB——吸附床無(wú)效層長(zhǎng)度,cm

l——床層長(zhǎng)度，m

Mi——組分i的摩爾質(zhì)量，kg·mol-1

mi——組分i的分子量

n——吸附床中吸附材料填充量，g

Pi——組分i的分壓，Pa

p——以大氣壓為單位的壓力，1 atm=101325 Pa

q——平衡壓力PA時(shí)的吸附量，mmol·g-1

qb——目標(biāo)氣體的穿透吸附量，mmol·g-1

qe——目標(biāo)氣體的飽和吸附量，mmol·g-1

qi——組分i的吸附量，mol·kg-1

——組分i的平衡吸附量，mmol·g-1

qmi——組分i的單層吸附量，mmol·g-1

Re——Reynolds數(shù)

Sc——Schmidt數(shù)

Sh——Sherwood數(shù)

Si——組分i的質(zhì)量源項(xiàng)，kg·(m3·s)-1

Sm——總體質(zhì)量源項(xiàng)，kg·(m3·s)-1

T——熱力學(xué)溫度，K

tb——穿透時(shí)間（c/c0=0.05 時(shí)的吸附所需時(shí)間），min

te——飽和時(shí)間（c/c0=0.95 時(shí)的吸附所需時(shí)間），min

t*——c/c0為0.5時(shí)所對(duì)應(yīng)的時(shí)間[16]，min

u——?dú)怏w流速，m·s-1

V——混合氣體流量，ml·min-1

Vi——組分i的分子擴(kuò)散體積，cm3·mol-1

w——吸附劑厚度，m

Yi——組分i的質(zhì)量分?jǐn)?shù)

β——床層利用率,%

ε——吸附劑孔隙率

εb——床層空隙率

μ——?jiǎng)恿︷ざ?，Pa·s

ρ——工況下混合氣密度，kg·m-3

ρf——?dú)怏w密度，kg·m-3

ρp——吸附劑的密度，kg·m-3