鈕朝陽(yáng)，江南，沈圓輝，吳統(tǒng)波，劉冰，張東輝

（天津大學(xué)化工學(xué)院，化學(xué)工程研究所，化學(xué)工程聯(lián)合國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津300350）

引 言

氫能具有清潔、高效、可持續(xù)發(fā)展等特點(diǎn)，是21世紀(jì)最具發(fā)展?jié)摿Φ那鍧嵞茉粗?，是未?lái)能源戰(zhàn)略的關(guān)鍵[1?2]。目前，工業(yè)上生產(chǎn)高純氫氣的最常見(jiàn)方法是通過(guò)蒸汽甲烷重整法（steam methane reforming，SMR）[3]，該方法獲得的重整氣（SMR?off gas,SMROG）壓力約為22 bar（1 bar=105Pa），主要組成包括75%～80%的H2，15%～25%的CO2，1%～5%的CH4，0.1%～1%的CO以及痕量的N2[4]。變壓吸附（pressure swing adsorption, PSA）分離過(guò)程具有原理簡(jiǎn)單、控制方便、自動(dòng)化程度高、能量消耗低等優(yōu)點(diǎn)[5?6]，在利用SMROG 制備氫氣的領(lǐng)域已有大量的研究工作。Sircar 等[4,7]采用PSA 與納米孔表面流動(dòng)膜相結(jié)合的工藝，從SMROG 中回收氫氣，結(jié)果表明PSA 工藝能夠獲得77.6%的H2回收率，而通過(guò)表面流動(dòng)膜從PSA 的尾氣中回收H2，可將回收率提升至84%。Lopes等[8]選用活性炭作為吸附劑，進(jìn)行了H2?CO2?CO?CH4?N2五組分的穿透實(shí)驗(yàn)，并進(jìn)行單塔十步真空變壓吸附（vacuum pressure swing adsorption, VPSA）提氫的實(shí)驗(yàn)，該VPSA 裝置所得氫氣純度為99.981%，回收率81.6%，生產(chǎn)能力為101 mol·kg?1·d?1。Golmakani 等[9]為探究雜質(zhì)含量對(duì)于體系分離的影響，采用活性炭和5A分子篩作為吸附劑，建立了四塔十六步VPSA 工藝，并模擬了考慮的幾種雜質(zhì)組成，模結(jié)果表明5A分子篩除氮?dú)膺@一雜質(zhì)效率不高，進(jìn)料組成中N2含量為3.1%的情況比含量為1.1%的情況單位能耗高55%，氫氣回收率低8%，最終得出N2為使用VPSA工藝從SMR中提氫的關(guān)鍵雜質(zhì)，需要開(kāi)發(fā)性能更加優(yōu)良的吸附劑以除去N2。Golmakani 等[10]根據(jù)實(shí)驗(yàn)得到的五種組分的穿透曲線，選用活性炭和5A 分子篩作為吸附劑，分別設(shè)計(jì)了四塔八步PSA，四塔九步VPSA 和變溫吸附（temperature swing adsorption,TSA）工藝模型以制備燃料電池級(jí)氫氣，探究了床層高度、沖洗進(jìn)料比、真空度(對(duì)于VPSA)以及蒸汽溫度（對(duì)于TSA）的影響，并據(jù)此分別對(duì)三種工藝進(jìn)行優(yōu)化，優(yōu)化結(jié)果表明綜合考慮氫氣純度、回收率、能耗和CO 含量四種性能指標(biāo)，VPSA 工藝產(chǎn)率為148 mol·kg?1·d?1，能耗為940 kJ·kg?1，要優(yōu)于其他工藝。Shi 等[11]在保證氫氣純度的同時(shí)為獲得更高的H2回收率，同樣采用活性炭和5A 分子篩作為吸附劑，設(shè)計(jì)了十塔二十步PSA 制氫和三塔五步真空變壓吸附（VPSA）補(bǔ)碳的兩階耦合工藝的數(shù)學(xué)模型，并在十塔制氫的工藝中探究了進(jìn)料流量、雙層吸附劑比例以及沖洗進(jìn)料比對(duì)于H2純度和回收率的影響。結(jié)果表明在進(jìn)料流量為0.3765 mol·s?1，吸附劑填充比例為0.5∶0.5(體積比)，沖洗進(jìn)料比約為10%的情況下，能夠獲得回收率為87.37%、純度為99.992%的H2。

能源需求量的日益增加與環(huán)境問(wèn)題依然存在的嚴(yán)峻形勢(shì)，使得氫能的需求量不斷增大，傳統(tǒng)PSA技術(shù)在產(chǎn)量方面的不足越發(fā)明顯。與傳統(tǒng)PSA 相比，快速變壓吸附（rapid pressure swing adsorption,RPSA）具有循環(huán)周期更短，單位產(chǎn)氣量所需吸附劑量少等優(yōu)點(diǎn)[12]，對(duì)于彌補(bǔ)傳統(tǒng)PSA 產(chǎn)量方面的不足有著重要的作用。盡管RPSA 技術(shù)在醫(yī)用制氧方面已有廣泛應(yīng)用[13?22]，但在制氫領(lǐng)域還停留在簡(jiǎn)單的兩組分單塔實(shí)驗(yàn)階段[23]，對(duì)于從SMROG 中回收氫氣也只有小規(guī)模實(shí)驗(yàn)室裝置的研究[24]。對(duì)此，本文旨在以數(shù)值模擬的方法對(duì)利用RPSA 工藝從工業(yè)SMROG 中回收氫氣進(jìn)行初步探討。本文的研究工作主要包括：（1）采用活性炭和5A 分子篩作為吸附劑，利用Aspen Adsorption 軟件建立六塔PSA 與RPSA 工藝的數(shù)學(xué)模型；（2）分析模擬結(jié)果，并探討進(jìn)料流量、雙層吸附劑配比以及沖洗進(jìn)料比三個(gè)因素對(duì)于RPSA 工藝性能的影響；（3）對(duì)比兩種工藝并指出RPSA工藝的優(yōu)勢(shì)與不足。

1 工藝流程描述

圖1 六塔RPSA和PSA整體工藝結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Configuration diagram of the six?bed RPSA and PSA process

本文中采用的SMROG 組成為H2/CH4/CO/CO2=76%/3.5%/0.5%/20%，為從中回收氫氣，分別設(shè)計(jì)了PSA 和RPSA 兩套工藝。兩套工藝流程均包括六座吸附塔，十二個(gè)步驟的循環(huán)，每個(gè)塔的吸附床層均由下層的活性炭和上層的5A 分子篩雙層吸附劑組成。圖1為工藝流程的整體結(jié)構(gòu)圖，圖2為六塔PSA和RPSA 的過(guò)程示意圖，表1 和表2 分別為RPSA 和PSA的流程時(shí)序。工藝中的十二個(gè)步驟分別為吸附（AD1，AD2）、均壓降（ED1，ED2，ED3）、順?lè)牛–OD）、逆放（BD）、沖洗（PUR）、均壓升（ER3，ER2，ER1）和終升壓（PR），其詳細(xì)描述如下：

圖2 RPSA和PSA循環(huán)工藝示意圖Fig.2 Process schematic diagram of RPSA and PSA

吸附 原料氣經(jīng)換熱后送至吸附塔，吸附壓力為22 bar(1 bar=0.1 MPa)，其中CO2、CH4和CO三個(gè)組分經(jīng)活性炭和5A分子篩兩層吸附劑被選擇性吸附，H2產(chǎn)品氣從塔頂采出，部分產(chǎn)品氣送至低壓塔升壓；

均壓降 吸附步驟結(jié)束后塔內(nèi)壓力較高，為節(jié)省機(jī)械能，通過(guò)三個(gè)均壓步驟給低壓塔升壓；

順?lè)?均壓步驟完成后，從塔頂放出物料氣并通過(guò)塔頂連接對(duì)低壓塔吸附劑沖洗再生；

表1 六塔RPSA時(shí)序Table 1 The schedule of six-bed RPSA

表2 六塔PSA時(shí)序Table 2 The schedule of six-bed PSA

逆放 順?lè)沤Y(jié)束后，從塔底利用壓差放出物料氣，并入廢氣流股；

沖洗 由另一座塔塔頂?shù)捻樂(lè)艢鉀_洗再生，塔底放出物料氣并入廢氣流股；

均壓升 通過(guò)均壓方式進(jìn)行升壓；

終升壓 引入另一座塔在吸附步驟采出部分產(chǎn)品H2對(duì)吸附塔升壓，為下一個(gè)吸附步驟做準(zhǔn)備。

2 數(shù)學(xué)建模

本文采用Aspen Adsorption 軟件建立起吸附床層的質(zhì)量、能量和動(dòng)量守恒以及非等溫吸附和吸附動(dòng)力學(xué)模型，輔助設(shè)備模型包括壓縮機(jī)、緩沖罐以及線性閥門，工藝性能指標(biāo)包括純度、回收率和生產(chǎn)量。為了降低計(jì)算成本，在確保數(shù)學(xué)模型準(zhǔn)確性的基礎(chǔ)上，依據(jù)以下幾點(diǎn)假設(shè)對(duì)吸附床模型進(jìn)行簡(jiǎn)化[11,25?28]：

（1）采用理想氣體狀態(tài)方程描述氣體的P-V-T關(guān)系；

（2）忽略溫度、濃度、壓力和吸附量在徑向上的梯度，僅存在軸向擴(kuò)散；

（3）采用Ergun方程估算床層軸向上的壓降；

（4）采用線性推動(dòng)力方程（LDF）計(jì)算吸附傳質(zhì)速率；

（5）采用擴(kuò)展型Langmuir 3 方程描述氣體吸附行為；

（6）氣固相之間快速達(dá)到熱平衡。

表3 匯總了吸附床的數(shù)學(xué)模型，質(zhì)量守恒方程包括組分質(zhì)量守恒式（1）、總質(zhì)量守恒式（2）以及軸向擴(kuò)散系數(shù)估算式（3）、能量守恒模型包括氣相能量守恒式（4）、固相能量守恒式（5）以及吸附塔內(nèi)外壁之間的傳熱方程式（6）、動(dòng)量守恒采用Ergun 方程式（7）表示。采用擴(kuò)展型Langmuir3 方程計(jì)算吸附行為，如式（8）所示。此外，氣固相之間傳質(zhì)過(guò)程采用線性推動(dòng)力方程式（9）描述，其中的線性推動(dòng)力系數(shù)為估算值。表4 匯總了輔助設(shè)備模型，包括壓縮機(jī)、緩沖罐和線性閥門。產(chǎn)品氣純度、回收率和生產(chǎn)量分別用式（13）～式（15）表示（表5）。表6和表7 分別為兩種吸附劑的物性參數(shù)和吸附床的部分參數(shù)。以活性炭和5A分子篩為吸附劑，采用靜態(tài)容積法[29?30]測(cè)定CO、CO2、CH4和H2的吸附等溫?cái)?shù)據(jù)，如圖3所示。表8給出了四種組分在活性炭和5A分子篩上的擴(kuò)展型Langmuir3 方程擬合參數(shù)和對(duì)應(yīng)的相關(guān)系數(shù)，此外，各組分吸附熱ΔH 由實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)經(jīng)Clausius?Clapeyron方程計(jì)算所得[29]。

對(duì)于模擬計(jì)算而言，為了保證結(jié)果的準(zhǔn)確性，選用合適的數(shù)值計(jì)算方法至關(guān)重要。在吸附床模型偏微分方程組的求解方面，本文采用一階上風(fēng)差分法（UDS1）對(duì)吸附床層軸向空間域進(jìn)行離散化，將上下兩種吸附劑床層各離散為20個(gè)節(jié)點(diǎn)，得到關(guān)于時(shí)間的常微分方程組，并采用軟件自帶的隱式歐拉法（Implicit Euler）做積分計(jì)算。在代數(shù)方程組的處理方面，本文分別采用軟件自帶的MA48 求解器和混合牛頓法（Mixed Newton）求解線性方程組和非線性方程組，其中混合牛頓法為在初始化步驟中采用牛頓迭代法（Newton），在積分步驟中采用快速牛頓法（Fast Newton），兼具計(jì)算效率和魯棒性的優(yōu)勢(shì)。

表3 吸附塔數(shù)學(xué)模型Table 3 Mathematical model of adsorption bed

表4 輔助設(shè)備數(shù)學(xué)模型Table 4 Mathematical model of auxiliary equipment

表5 工藝性能評(píng)價(jià)指標(biāo)Table 5 Process performance indicator

表6 活性炭和5A分子篩吸附劑參數(shù)Table 6 Parameter of activate carbon and 5A zeolite adsorbent

表7 吸附床參數(shù)Table 7 Parameters of adsorption bed

3 結(jié)果與討論

3.1 模擬結(jié)果

吸附工藝性能與塔內(nèi)溫度、壓力以及氣固相濃度分布等因素密切相關(guān)。圖4為循環(huán)穩(wěn)態(tài)下兩種工藝單周期的塔內(nèi)氣相溫度分布，圖5 為壓力分布。圖6展示了四種組分在各個(gè)步驟結(jié)束時(shí)床層軸向上的固相濃度分布，軸向距離0.5 m 為兩種吸附劑分界處。從圖4可以觀察到，在活性炭吸附層，兩種工藝距離床層底部0.1 m 和0.25 m 處溫度均呈現(xiàn)上升趨勢(shì)。吸附步驟結(jié)束時(shí)，這兩個(gè)測(cè)溫點(diǎn)均達(dá)到單個(gè)循環(huán)內(nèi)的溫度最高值，而在0.1 m 處的溫度最高值要高于塔底和0.25 m 處。結(jié)合吸附塔能量守恒方程式（4）～式（6），表8 中各組分吸附參數(shù)及圖6 中的固相濃度分布給出以下解釋：吸附過(guò)程是放熱過(guò)程，吸附步驟中始終伴隨著能量的釋放，因此該步驟結(jié)束時(shí)溫度達(dá)到最高值。然而，溫度的升高也加速了吸附塔內(nèi)部與環(huán)境之間的熱交換?？梢钥闯?，軸向上CO、CO2和CH4的吸附量沿著軸向距離總體呈下降趨勢(shì)，相應(yīng)的放熱速率也降低，盡管H2的吸附量沿軸向上升，但其在活性炭上吸附熱和吸附量要明顯低于其他三種組分。當(dāng)吸附放熱速率低于塔內(nèi)部與環(huán)境的熱交換速率時(shí)，塔內(nèi)氣相溫度開(kāi)始下降，因此會(huì)出現(xiàn)溫度峰值。在5A 分子篩吸附層，吸附步驟溫度上升幅度沿軸向逐漸減小，塔頂處溫度趨于不變。這是由于在該吸附段，CO2作為吸附熱和吸附量最大的組分，其最大吸附量出現(xiàn)在軸向距離0.5 m 處，而塔頂位置只有極少量的組分吸附，因此溫度基本不變。此外，從圖4 可以觀察到?jīng)_洗步驟結(jié)束時(shí)，各測(cè)溫點(diǎn)處溫度均達(dá)到循環(huán)中的最低，而塔底處出現(xiàn)整個(gè)軸向上的溫度最低值。沖洗步驟中，產(chǎn)品氣自上而下進(jìn)入吸附塔，重組分從吸附劑上解吸，由于解吸的過(guò)程為吸熱過(guò)程，軸向處溫度均會(huì)下降。而塔底處由于吸附步驟中吸附量最大，因此解吸時(shí)溫度最低。另外，結(jié)合圖4 和圖5可以看出，溫度的變化與塔內(nèi)的壓力變化密切相關(guān)?？偟貋?lái)說(shuō)，壓力升高時(shí)發(fā)生吸附過(guò)程，此過(guò)程放熱，相應(yīng)地溫度升高，而壓力降低時(shí)發(fā)生解吸過(guò)程，此過(guò)程吸熱，相應(yīng)地溫度降低。

圖3 四種組分在5A分子篩和活性炭上的吸附等溫線Fig.3 Adsorption isotherms of four components on 5A zeolite and activated carbon

表8 擴(kuò)展型Langmuir吸附模型擬合參數(shù)Table 8 Extended Langmuir adsorption model fitting parameters

圖4 RPSA和PSA氣相溫度分布Fig.4 Gas temperature distribution of RPSA and PSA

圖5 RPSA和PSA壓力分布Fig.5 Pressure distribution of RPSA and PSA

圖6展示的四種組分在軸向上的固相濃度分布可以很好地用圖3 中的吸附等溫線解釋。CO2在活性炭和5A分子篩上都展現(xiàn)出了最大的吸附量，而由于其在5A分子篩上的吸附等溫線更有利，因此在兩個(gè)床層的交界處，即沿床層0.5 m 處出現(xiàn)了固相濃度的峰值。此外，由于競(jìng)爭(zhēng)吸附的存在，在兩個(gè)吸附床層中，CO、CO2和CH4三個(gè)組分的吸附量沿床層總體呈下降趨勢(shì)，因此H2在兩段床層上的固相濃度均逐步上升。

3.2 操作參數(shù)影響

3.2.1 進(jìn)料流量的影響 進(jìn)料流量是影響床層RPSA 工藝的重要操作參數(shù)，能夠?yàn)楦倪M(jìn)工藝性能提供指導(dǎo)。一方面，進(jìn)料流量過(guò)低會(huì)導(dǎo)致吸附劑利用不充分，不僅會(huì)導(dǎo)致處理量降低，也會(huì)降低輕組分產(chǎn)品氣的回收率。另一方面，進(jìn)料流量過(guò)高會(huì)導(dǎo)致相同時(shí)間下重組分的穿透，從而降低輕組分產(chǎn)品氣的純度。因此選擇合適的進(jìn)料流量十分重要。為了研究進(jìn)料流量對(duì)工藝過(guò)程的影響，通過(guò)模擬計(jì)算獲得不同進(jìn)料流量下H2的純度和回收率數(shù)據(jù)，結(jié)果如圖7所示。H2回收率與進(jìn)料流量呈現(xiàn)正相關(guān)且變化幅度較大，而純度隨其增加不斷下降。這是由于在床層尺寸和各步驟時(shí)間相同的前提下，進(jìn)料流量的增加加速了重組分的吸附前沿向頂部移動(dòng)，更多的重組分穿透床層混入產(chǎn)品氣中，引起H2純度下降。在保證H2純度的同時(shí)應(yīng)以獲得更高的回收率為主要目標(biāo)，因此取得最優(yōu)結(jié)果為進(jìn)料流量0.8875 mol·s?1，此時(shí)氫氣純度為99.90%，回收率為69.88%。

圖6 CO、CO2、CH4和H2在軸向上的固相濃度分布Fig.6 Solid phase concentration profiles of CO,CO2,CH4 and H2

圖7 進(jìn)料流量對(duì)于RPSA性能的影響Fig.7 Effect of feed flow rate on RPSA performance

3.2.2 活性炭和5A 分子篩床層比的影響 活性炭與5A 分子篩床層的高度與產(chǎn)品氣的純度和回收率密切相關(guān)。圖8展示了不同床層填充比下H2的純度與回收率的變化情況，可以看出，氫氣純度隨著活性炭層比例的增加出現(xiàn)顯著上升，而當(dāng)配比大于0.5∶0.5 時(shí)波動(dòng)幅度很小并趨于平緩，回收率隨活性炭比例增加不斷降低。結(jié)合圖6中各組分在軸向上的濃度分布可以看出，各組分在活性炭層的吸附量都要高于在5A 分子篩層，隨著活性炭層高度的增加，重組分被更多地吸附，因此H2純度呈上升趨勢(shì)。而活性炭層高度的增加也導(dǎo)致了塔內(nèi)殘留H2的量增加，在BD 和PUR 步驟中并入廢氣中的H2的量增加，從而降低了H2的回收率。合理的吸附床層比例對(duì)于平衡產(chǎn)品純度和回收率，最大程度地提高工藝效益是很有必要的。吸附劑配比為0.5∶0.5 時(shí)具有良好的分離效果。

圖8 活性炭/5A分子篩床層填充比對(duì)于RPSA性能的影響Fig.8 Effect of layer ratio of AC/5A zeolite on RPSA performance

3.2.3 沖洗進(jìn)料比的影響 沖洗進(jìn)料比，也就是沖洗步驟中使用氫氣的量與進(jìn)料中氫氣量的比值。沖洗步驟用于床層上重組分的解吸，對(duì)于決定整個(gè)工藝的性能起著十分關(guān)鍵的作用。一方面，沖洗氣流量過(guò)小，會(huì)導(dǎo)致重組分解吸不充分，在接下來(lái)的循環(huán)中重組分吸附前沿不斷向床層頂部移動(dòng)，從而影響H2產(chǎn)品純度。另一方面，沖洗氣流量過(guò)大，會(huì)使得更多H2進(jìn)入廢氣流股，減低氫氣的回收率。圖9 中可以觀察到在進(jìn)料沖洗比低于21.2%時(shí)，產(chǎn)品氣濃度呈現(xiàn)上升趨勢(shì)，而高于該值時(shí)，氫氣純度下降，回收率剛好與其呈現(xiàn)相反的趨勢(shì)。這種現(xiàn)象可以歸因于另一塔順?lè)挪襟E得到的順?lè)艢庵袣錃饧兌鹊淖兓?。?dāng)壓力較高時(shí)，順?lè)艢庵袣錃饧兌容^高，對(duì)于解吸起正向作用，而當(dāng)順?lè)艍毫档蜁r(shí)，順?lè)艢庵袣錃饧兌炔粩嘞陆?，此時(shí)不利于沖洗步驟的解吸。因此，在保證純度在99.90%以上的同時(shí)獲得更高的回收率，取得的最佳沖洗進(jìn)料比為22.37%。

3.3 兩種工藝的對(duì)比

本文對(duì)于六塔PSA 工藝進(jìn)行了同樣的模擬工作，從圖4 可觀察到，PSA 過(guò)程的最大溫差要高于RPSA 過(guò)程，但兩種工藝對(duì)應(yīng)步驟的溫差均在5 K 以內(nèi)，因此認(rèn)為可以忽略操作溫度對(duì)于工藝性能的影響。此外，從圖5 可看出兩種工藝的各步驟壓力基本相同，也可忽略操作壓力對(duì)于工藝性能的影響。PSA 工藝的進(jìn)料流量為0.39 mol·s?1，可獲得H2純度為99.90%，回收率為83.40%。在氫氣純度均為99.90%的條件下，對(duì)于兩種工藝的氫氣回收率和生產(chǎn)能力進(jìn)行對(duì)比，圖10 展示了對(duì)比結(jié)果?？梢钥闯?，PSA 工藝的回收率要高于RPSA，而由于RPSA工藝的處理量要高于PSA，因此盡管其回收率較低，卻能獲得高于PSA工藝的生產(chǎn)量。

圖9 沖洗進(jìn)料比對(duì)于RPSA性能的影響Fig.9 Effect of purge?to?feed ratio on RPSA performance

圖10 兩種工藝的H2產(chǎn)量和H2回收率對(duì)比Fig.10 Comparison of H2 yield and recovery of the two processes

4 結(jié) 論

本文以甲烷重整氣作為原料氣（H2/CH4/CO/CO2=76%/3.5%/0.5%/20%），利用實(shí)驗(yàn)測(cè)得的四種組分在活性炭和5A分子篩上的吸附數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，采用商業(yè)軟件Aspen Adsorption 作為平臺(tái)，分別設(shè)計(jì)了六塔RPSA 與PSA 的工藝流程的數(shù)學(xué)模型。在分析了兩種工藝塔內(nèi)溫度、壓力分布和RPSA 的固相濃度分布結(jié)果后，對(duì)進(jìn)料流量、兩種吸附劑床層比例和沖洗進(jìn)料比三個(gè)重要的操作參數(shù)進(jìn)行了單因素分析，當(dāng)進(jìn)料流量為0.8875 mol·s?1，吸附劑床層高度比為0.5∶0.5，進(jìn)料沖洗比為22.37%時(shí)，RPSA 工藝可獲得H2純 度99.90%，回 收 率69.88%，此 時(shí)H2產(chǎn) 量 為0.4713 mol·s?1。最 后 在 保 證H2純 度 相 同，且 均 為99.90%的基礎(chǔ)上，將RPSA工藝與PSA工藝進(jìn)行了對(duì)比。盡管PSA工藝能獲得更高的回收率，但正如之前預(yù)測(cè)的一樣，RPSA工藝由于處理量更大，因此能獲得更高的產(chǎn)量。然而，RPSA 工藝的H2回收率較低，造成了大量能源資源的浪費(fèi)。在今后的工作中，設(shè)計(jì)更復(fù)雜的多塔耦合工藝以及開(kāi)發(fā)更適合于RPSA 過(guò)程的吸附劑將成為提升回收率的重要研究方向。

符 號(hào) 說(shuō) 明

ap——單位體積吸附劑床層的表面積，m2/m2

Cpa,i——吸附相i的比熱容，kJ·kg?1·K?1

Cpg,i——組分i的比定壓熱容，kJ·kg?1·K?1

Cps——吸附劑比熱容，kJ·kg?1·K?1

Cpw——塔壁比熱容，kJ·kg?1·K?1

CV——閥門開(kāi)度，mol·s?1·bar?1

Cvg——?dú)怏w比定容熱容，kJ·mol?1·K?1

ci——組分i的氣相濃度，mol·m?3

Dax,i——組分i的軸向擴(kuò)散系數(shù)，m2·s?1

Db——吸附塔內(nèi)徑，m

De,i——組分i的擴(kuò)散系數(shù)計(jì)算中間值，m2·s?1

Dk,i——組分i的Knudsen擴(kuò)散系數(shù)，m2·s?1

Dm,i——組分i的分子擴(kuò)散系數(shù)，m2·s?1

F——通過(guò)閥門的氣體的流量，mol·s?1

Fbin——進(jìn)入緩沖罐的氣體的流量，mol·s?1

Fbout——離開(kāi)緩沖罐的氣體的流量，mol·s?1

Fin——進(jìn)入體系的氣體的流量，mol·s?1

Fout——產(chǎn)品氣流量，mol·s?1

Hb——吸附塔高度，m

ΔHi——組分i的等量吸附熱，kJ·mol?1

hamb——吸附塔與環(huán)境之間傳熱系數(shù)，W·m?2·K?1

hf——?dú)夤讨g傳熱系數(shù)，W·m?2·K?1

hw——?dú)獗谥g傳熱系數(shù)，W·m?2·K?1

IP1——等溫線參數(shù)，mol·kg?1·bar?1

IP2——等溫線參數(shù)，K

IP3——等溫線參數(shù)，bar?1

IP4——等溫線參數(shù)，K

kg——?dú)怏w熱導(dǎo)率，W·m?1·K?1

kLDF,i——組分i線性推動(dòng)力（LDF）系數(shù)，s?1

ks——吸附劑熱導(dǎo)率，W·m?1·K?1

kw——吸附塔塔壁熱導(dǎo)率，W·m?1·K?1

M——組分的平均摩爾質(zhì)量，kg·mol?1

Mi——組分i的摩爾質(zhì)量，kg·mol?1

Nin——緩沖罐總進(jìn)料流股數(shù)

Nout——緩沖罐總進(jìn)料流股數(shù)

P——壓力，bar

Pcin——壓縮機(jī)進(jìn)口壓力，bar

Pcout——壓縮機(jī)出口壓力，bar

Pi——組分i的分壓，bar

Pstan——標(biāo)準(zhǔn)大氣壓，bar

Pvin——閥門入口處的壓力，bar

Pvout——閥門出口處的壓力，bar

qi——組分i的吸附量，mol·kg?1

qi*——組分i的平衡吸附量，mol·kg?1

R——吸附模型擬合相關(guān)系數(shù)

Rg——?dú)怏w狀態(tài)方程常數(shù)，J·mol?1·K?1

rp——吸附劑顆粒半徑，m

T——溫度，K

Tamb——環(huán)境溫度，K

Tg——?dú)庀鄿囟?，K

Ts——固相溫度，K

Tstan——標(biāo)準(zhǔn)溫度，K

Tw——塔壁溫度，K

T0——室溫，K

t——時(shí)間，s

tad——吸附步驟時(shí)間，s

tcycle——單周期循環(huán)時(shí)間，s

Vin——進(jìn)入系統(tǒng)的體積流量，m3·s?1

Vout——產(chǎn)品氣的體積流量，m3·s?1

vg——表觀氣速，m·s?1

Wcycle——單周期壓縮機(jī)能耗，J

Wt——吸附塔壁厚，m

wads——單塔裝填的吸附劑質(zhì)量，kg

yin,H2——進(jìn)入系統(tǒng)的H2純度

yout,H2——產(chǎn)品氣的H2純度

z——軸向距離，m

γ——絕熱指數(shù)

εb——床層空隙率

εp——吸附劑孔隙率

ηp——壓縮機(jī)絕熱效率

μ——?dú)怏w動(dòng)力學(xué)黏度，kg·m?1?s?1

ρb——吸附劑堆積密度，kg·m?3

ρg——?dú)怏w密度，kg·m?3

ρp——吸附劑顆粒密度，kg·m?3

ρs——吸附劑密度，kg·m?3

ρw——塔壁密度，kg·m?3

ψ——形狀因子

下角標(biāo)

bin——緩沖罐進(jìn)口流股數(shù)

bout——緩沖罐出口流股數(shù)

i——組分