張超，陳健，殷文華，沈圓輝，鈕朝陽，余秀鑫，張東輝，唐忠利

（1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)合國家重點實驗室，天津 300350；2西南化工研究設(shè)計院有限公司，四川 成都 610225）

引 言

氫氣作為一種重要的化工原料，在化學(xué)合成、冶金、醫(yī)療、航空航天等領(lǐng)域都有著廣泛的應(yīng)用[1-2]。目前，蒸汽甲烷重整（steam methane reforming,SMR）是工業(yè)生產(chǎn)高純氫氣最常見的過程[3-5]，該過程產(chǎn)生的合成氣主要組成為75%～80%的H2，15%～25%的CO2，1%～5%的CH4，0.1%～1%的CO以及痕量的N2[6-8]。

變壓吸附（pressure swing adsorption，PSA）由于其控制方便、自動化水平高、投資低等優(yōu)點而被常用在氫氣純化領(lǐng)域[9-12]。目前國內(nèi)外學(xué)者在利用PSA 制備高純氫方面已經(jīng)開展了大量的研究工作。Golmakani 等[13]設(shè)計了四塔八步PSA，四塔九步真空變壓吸附（vacuum pressure swing adsorption, VPSA）和變溫吸附（temperature swing adsorption,TSA）工藝模型從合成氣（H2/CO2/CH4/CO/N2=76%/18%/3.2%/0.7%/3.1%,摩爾分數(shù)）中制備燃料電池級氫氣，對比分析了在三種工藝下的氫氣純度、氫氣回收率、能耗和輕產(chǎn)品氣中CO 雜質(zhì)含量四種指標(biāo)，最終VPSA以生產(chǎn)能力148 mol·kg-1·d-1、能耗940 kJ·kg-1優(yōu)于其他工藝。Moon 等[14]設(shè)計了八塔雙層變壓吸附工藝，以活性炭和LiX 沸石分子篩為吸附劑，研究了吸附塔再生時沖洗氣來源對氫氣純度和回收率的影響，結(jié)果表明采用氫產(chǎn)品氣作為沖洗氣時能制得純度為99.991%～99.999% 的氫氣，但回收率僅為77.44%～86.58%，而采用均壓結(jié)束后的塔頂順放氣作為沖洗氣，在氫氣純度為99.99%的情況下，回收率可提高3%～6%。Shi等[15]采用活性炭和5A分子篩作為吸附劑，設(shè)計了十塔二十步PSA 制氫工藝，考察了吸附劑裝填比例、進料量以及沖洗率與氫氣純度和回收率之間的關(guān)系，優(yōu)化工藝后達到99.992%的氫氣純度和87.37%的氫氣回收率。Park 等[16]設(shè)計了一種串聯(lián)PSA 工藝來從貧氫混合物（<20%H2，摩爾分數(shù)）中回收氫氣，與并聯(lián)PSA 工藝相比可以獲得更高的氫氣純度和回收率。Divekar 等[17]采用活性炭和13X 作為吸附劑，設(shè)計了雙塔五步VSA 工藝來從PSA 制氫尾氣中回收氫氣，可將25%的氫氣富集至99%，回收率約為80%（摩爾分數(shù)）。然而，已有報道的研究[18-26]僅是設(shè)計不同的工藝，分離不同的氣源，以期提升純度、回收率、產(chǎn)能等性能指標(biāo)，關(guān)于PSA工藝開車的動態(tài)過程分析卻鮮有提及。

開車是化工生產(chǎn)過程中十分重要的環(huán)節(jié)，也是一個典型的動態(tài)操作過程。研究開車過程的瞬態(tài)行為規(guī)律對于了解各組分在吸附塔內(nèi)的吸附行為，指導(dǎo)吸附劑的選擇及裝填，改進工藝，以及提高生產(chǎn)能力和工藝性能等方面具有十分重要的現(xiàn)實意義。然而，在實際生產(chǎn)過程中，難于監(jiān)測各組分在不同時刻、塔內(nèi)不同空間位置的分布狀態(tài)。對此，本文通過數(shù)值模擬的手段來探究PSA 工藝開車的過程規(guī)律，旨在為指導(dǎo)工藝設(shè)計和改進提供一定的依據(jù)和參考。主要工作包括：（1）以蒸汽甲烷重整氣為原料，利用Aspen Adsorption 軟件建立以活性炭和5A 分子篩為吸附劑的八塔十六步PSA 工藝的數(shù)學(xué)模型；（2）探究進料流量，雙層吸附劑裝填比例以及沖洗進料比對氫氣純度以及回收率的影響，對工藝進行優(yōu)化；（3）在最優(yōu)工藝條件的基礎(chǔ)上，以氮氣充壓使各塔按照壓力操作曲線建立系統(tǒng)壓力，模擬了從投料到系統(tǒng)達到循環(huán)穩(wěn)態(tài)的開車過程，并分析了開車過程中塔內(nèi)各組分在吸附、順放以及沖洗三個階段的瞬態(tài)吸附行為。

1 工藝流程描述

本文采用的合成氣成分為H2/CO2/CH4/CO=76%/20%/3.5%/0.5%，吸附壓力為22 bar(1 bar=105Pa)。目前工業(yè)上制氫為了得到較高的回收率，大多數(shù)采用多塔并聯(lián)的工藝。為了更好地模擬工業(yè)實際，在研究中設(shè)計了包括八座吸附塔，十六個循環(huán)步驟的PSA 工藝，并在實驗室已有的研究基礎(chǔ)上，于每個吸附塔中由下至上分別裝填活性炭、5A 沸石分子篩兩種吸附劑。圖1 為工藝流程的整體結(jié)構(gòu)圖，圖2 為八塔PSA 工藝過程示意圖，表1 為八塔PSA 的流程時序。工藝中的十六個步驟分別為吸附（AD1，AD2)、均壓降(ED1，ED2，ED3，ED4)、順放(PP1，PP2)、逆放(BD)、沖洗(RP2，RP1)、均壓升(ER4，ER3，ER2，ER1)、終壓升(PR)。

表1 八塔PSA時序Table 1 The schedule of eight-bed PSA

圖1 八塔PSA整體工藝結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Configuration diagram of eight-bed PSA process

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

2 數(shù)學(xué)建模

為了模擬動態(tài)吸附過程，本文采用Aspen Adsorption 軟件建立了吸附床的質(zhì)量、能量和動量守恒以及吸附動力學(xué)和嚴格的非等溫吸附數(shù)學(xué)模型。同時，為了提高計算效率，在保證結(jié)果準(zhǔn)確的基礎(chǔ)上對模型進行了幾點假設(shè)[27-28]：

（1）氣體的P-V-T關(guān)系符合理想氣體狀態(tài)方程；

（2）氣固相的溫度、濃度和壓力在徑向上的梯度為0；

（3）床層軸向壓降采用Ergun方程估算；

（4）采用擴展型Langmuir 模型描述氣體的吸附行為；

（5）傳質(zhì)速率由線性推動力方程（LDF）來描述。

表2 匯總了八塔PSA 工藝的數(shù)學(xué)模型。吸附床模型主要包括質(zhì)量守恒、能量守恒以及動量守恒。分別用式(1)～式(7)來進行描述。各組分與吸附劑之間的傳質(zhì)過程通過LDF 模型式(8)來描述，組分之間的競爭吸附關(guān)系由擴展型Langmuir吸附等溫式(9)來描述。表3匯總了工藝性能指標(biāo)數(shù)學(xué)模型。表4 和表5分別為兩種吸附劑的物性參數(shù)和吸附床模擬參數(shù)。吸附量測量的準(zhǔn)確性影響著模擬結(jié)果的可靠性，本文采用靜態(tài)容積法測定了H2、CO、CO2、CH4和N2五種組分在活性炭和5A分子篩上的吸附等溫線數(shù)據(jù)，并采用擴展型Langmuir 模型擬合吸附等溫線參數(shù)，表6 匯總了吸附等溫線參數(shù)以及各組分吸附熱參數(shù)，其中吸附熱由Clausius-Clapeyron 方程計算得到[29-30]。

表2 吸附塔數(shù)學(xué)模型Table 2 Mathematical model of adsorption bed

表3 工藝性能評價指標(biāo)Table 3 Process performance indicator

表4 活性炭和5A分子篩吸附劑參數(shù)Table 4 Parameters of activated carbon and 5A zeolite adsorbent

表5 吸附床參數(shù)Table 5 Parameters of adsorption bed

表6 擴展型Langmuir吸附模型擬合參數(shù)Table 6 Extended Langmuir adsorption model fitting parameters

對于模擬計算，PSA過程包含大量的非線性偏微分代數(shù)方程組(partial differential algebraic equations，PDAEs)和代數(shù)方程組。因此，每一步的初始條件以及邊界條件對于整個求解過程來說顯得十分重要，表7 以及表8 匯總了每一步的初始條件以及邊界條件，其中活性炭層出口的邊界條件與該步驟中5A分子篩出口(床層頂部)相同，僅軸向位置不同，5A分子篩進口的邊界條件與該步驟中活性炭的進口(床層底部)相同，僅軸向位置不同。此外，為了保證模擬結(jié)果的可靠性，選取合適的數(shù)值計算方法十分重要。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)對吸附床層軸向空間域進行離散化，將整個吸附床層離散成60個節(jié)點，得到關(guān)于時間的常微分方程組，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)，兼具計算效率和魯棒性的優(yōu)勢。模擬過程中數(shù)值精度為1.0×10-5。

表7 吸附床初始條件Table 7 Initial conditions of adsorption bed

表8 PSA過程中各步的邊界條件Table 8 The boundary conditions for each step of PSA process

續(xù)表8

3 結(jié)果與討論

3.1 工藝優(yōu)化

在實際生產(chǎn)過程中，進料流量、吸附劑的裝填比例以及床層的再生程度均是影響工藝性能的重要參數(shù)。采用單一變量法探究了三種參數(shù)對于氫氣純度以及回收率的影響，如圖3 所示。從圖3(a)可以看出，氫氣回收率與進料流量呈現(xiàn)正相關(guān)且變化幅度較大，而純度隨其增加逐漸下降。主要因為進料流量過低時會導(dǎo)致吸附劑利用不充分，降低裝置的生產(chǎn)能力以及氫氣的回收率，反之過高會造成重組分在循環(huán)過程中穿透床層，降低輕組分產(chǎn)品純度。圖3(b)表明活性炭比例的增加有助于氫氣純度的提高，回收率表現(xiàn)出明顯的下降趨勢。這是因為在單個循環(huán)周期中，重組分主要被截留在活性炭上，增大活性炭的占比，有利于重組分的截留，因此氫氣純度呈現(xiàn)上升趨勢，同時活性炭占比的增加也導(dǎo)致了更多的氫氣被吸附在塔內(nèi)，并在解吸步驟中隨著重組分從塔底排出，從而降低了氫氣的回收率。圖3(c)反映了塔的再生程度對于氫氣純度和回收率的影響。工藝中采用的沖洗氣為第四次均壓后的順放氣，當(dāng)沖洗量過小時，重組分解吸不干凈，床層底部吸附劑利用效率降低，致使下一個循環(huán)中重組分的吸附前沿向塔頂移動，穿透床層降低氫氣純度，而沖洗量過大又會導(dǎo)致雜質(zhì)解吸到順放氣中造成被沖洗塔的二次污染。在模擬PSA 開車生產(chǎn)過程中，以塔頂采出純度99.98%（摩爾分數(shù)）以上的氫氣為開車合格指標(biāo)，并期望在生產(chǎn)過程中獲得較大的氫氣回收率。綜合分析各種參數(shù)對工藝性能的影響后，選取進料量為0.38 mol?s-1，吸附床層高度比為0.5∶0.5，沖洗進料比為12.7%作為開車最佳工況，可以獲得氫氣純度99.986%，回收率84.90%。

圖3 進料流量、活性炭/5A分子篩填充比和沖洗進料比對PSA性能的影響Fig.3 Effect of feed flow rate,layer ratio of AC/5A zeolite and purge-to-feed ratio on PSA performance

3.2 塔頂出口各組分含量變化

圖4 展示了塔頂出口各組分摩爾分數(shù)隨著開車運行周期的變化。從圖中可以看出，在投料開始后，塔頂氫氣純度不斷增加，第15 個循環(huán)周期后，氫氣純度變化幅度減緩，30 個循環(huán)周期后，氫氣純度達到99.98%以上，各雜質(zhì)含量波動基本趨于穩(wěn)定，可以采出合格產(chǎn)品。結(jié)合圖4 中氮氣的變化趨勢，以及圖5 中吸附步驟結(jié)束后氮氣隨著運行周期在床層內(nèi)氣相濃度分布曲線，可以看出開車后15 個周期內(nèi)主要是在排除系統(tǒng)中的氮氣，在第15 個周期后塔內(nèi)N2摩爾分數(shù)可降低至10-4左右。

圖4 塔頂出口各組分摩爾分數(shù)隨時間的變化曲線Fig.4 Dynamic profile of mole fraction of each component in the top of bed

圖5 吸附結(jié)束時N2在軸向上的氣相濃度分布Fig.5 Gas phase concentration profile of N2 at the end of adsorption

3.3 吸附過程的動態(tài)分析

吸附是PSA 系統(tǒng)中最為重要的過程。圖6 展示了吸附步驟結(jié)束時刻各組分隨著運行周期在床層內(nèi)氣相摩爾分數(shù)分布曲線。可以看出CO、CO2、CH4三個組分的吸附前沿在吸附過程中隨著循環(huán)周期均向著塔頂移動，在循環(huán)穩(wěn)態(tài)時各組分吸附與脫附間建立動態(tài)平衡，移動停止。此時CO2、CH4主要被截留在活性炭上，而CO 的吸附前沿移動至5A 分子篩中后部，這在一定程度上表明CO 含量的確是制約氫氣純度提高的主要因素。另外從圖6 可以發(fā)現(xiàn)在第一個循環(huán)的吸附步驟結(jié)束后CO、CO2、CH4均主要被吸附在活性炭層（Cycle1-AD 末，代表第一個循環(huán)的吸附步驟結(jié)束），而隨著循環(huán)數(shù)增加，組分吸附前沿逐漸向塔頂移動，CO 吸附前沿進入5A 分子篩上。這可能是因為隨著開車進行床層底部雜質(zhì)再生不徹底，投料前，吸附塔潔凈程度最高，床層底部的有效吸附空間較大，重組分均被吸附在活性炭上。而隨著運行周期的變化，雜質(zhì)逐漸累積，導(dǎo)致底部利用效率持續(xù)降低，因此重組分吸附前沿向塔頂移動。

圖6 吸附結(jié)束時H2、CO、CO2和CH4在軸向上的氣相濃度分布Fig.6 Gas phase concentration of H2,CO,CO2 and CH4 at the end of adsorption

3.4 順放過程的動態(tài)分析

吸附前沿是采用PSA 制備高純氫過程中的重要指標(biāo)。如果重組分吸附前沿距離進料端過近，會導(dǎo)致床層上部空間利用率低，降低裝置的生產(chǎn)能力，反之重組分穿透床層，影響產(chǎn)品純度。圖7為第二次順放步驟結(jié)束時，各組分在不同循環(huán)周期于床層內(nèi)氣相濃度分布曲線。順放后的吸附前沿與吸附結(jié)束后相類似，均會隨著循環(huán)周期向著塔頂移動。主要是因為PSA 過程具有極強的規(guī)律性，吸附步驟的移動也在一定程度上影響著順放步驟的移動。另外從圖7(b)、(c)、(d)可以看出順放結(jié)束時解吸至塔內(nèi)氣相中的CO2含量隨著循環(huán)周期逐漸增加，CH4以及CO 含量變化幅度較小。這可能由于塔內(nèi)各組分競爭吸附的存在，由于在活性炭上吸附優(yōu)先順序為CO2>CH4>CO，床層無雜質(zhì)累積時，三種均會被吸附在進料端附近；但隨著循環(huán)進行，雜質(zhì)逐漸在底部累積，在原料氣進入塔內(nèi)時，底部吸附劑優(yōu)先吸附CO2，而CH4和CO 需要向塔頂移動更多的距離來完成吸附，因此在床層底部吸附劑上隨著循環(huán)周期CO2吸附量逐漸增大，在順放階段解吸至氣相中的含量也就越多。組分間競爭吸附的存在同樣會使得吸附劑的利用效率較低，這也在一定程度上加重了CO的吸附前沿在吸附階段更多地進入5A分子篩上。

圖7 順放結(jié)束時H2、CO、CO2、CH4在軸向上的氣相濃度分布Fig.7 Gas phase concentration profiles of H2,CO,CO2 and CH4 at the end of sequential release

3.5 沖洗過程的動態(tài)分析

吸附塔的再生程度決定了工藝性能，如果吸附塔再生不徹底，則會影響下一個循環(huán)的分離與純化效果，降低塔的利用效率，影響氫氣的純度和回收率。圖8 為第二次沖洗步驟結(jié)束時，吸附塔內(nèi)各組分隨著循環(huán)周期在軸向上的固相濃度分布情況。可以看出，隨著循環(huán)周期的運行，雜質(zhì)會在吸附塔底部逐漸累積。主要是與吸附塔的再生方式有關(guān)，工藝中采用的是逆放與沖洗的組合再生方式，沖洗氣采用的是第四次均壓之后的順放氣。一方面可能是因為順放氣中雜質(zhì)較多，沖洗氣中的重組分發(fā)生了二次吸附，另一方面由于沖洗的再生方式強度較低，對于重組分的解吸效果不明顯。

圖8 沖洗結(jié)束時H2、CO、CO2、CH4在軸向上的固相濃度分布Fig.8 Solid phase concentration profiles of H2,CO,CO2 and CH4 at the end of flushing

3.6 循環(huán)穩(wěn)態(tài)下吸附過程的動態(tài)分析

循環(huán)穩(wěn)態(tài)時，塔內(nèi)吸附與脫附過程均達到動態(tài)平衡，此時系統(tǒng)處于一個相對穩(wěn)定的運行狀態(tài)。對處于穩(wěn)態(tài)操作下各組分吸附狀態(tài)的分析，有助于完善工藝設(shè)計工作。圖9 為系統(tǒng)達到循環(huán)穩(wěn)態(tài)后，吸附步驟中各組分在軸向距離上的氣相濃度分布情況。隨著進料時間的增加，各組分競爭吸附現(xiàn)象越來越明顯。在進入塔內(nèi)的原料氣較少時，由于吸附質(zhì)較少而床層底部吸附劑活性位點較多，重組分均被吸附在床層底部，但隨著進料的增加，吸附量較大的CO2優(yōu)先被塔底的吸附劑吸附，CO 以及CH4則向塔頂移動來由后方的吸附劑來完成吸附，從圖9(b)、(d)可以看出，CO以及CH4氣相濃度隨著軸向距離出現(xiàn)了峰值。在吸附步驟結(jié)束后，競爭吸附達到最大，此時CO2以及CH4的吸附前沿均在活性炭層，而CO 由于競爭吸附能力較弱已經(jīng)明顯進入5A分子篩中，這可能是CO 是限制氫氣純度的主要原因。此外通過前面的分析可知，在沖洗再生方式下，床層底部雜質(zhì)解吸不徹底也會進一步加重CO在吸附結(jié)束后前沿的移動，所以提高吸附塔的再生效果有利于一定程度上減弱CO 吸附前沿過多地進入5A 分子篩，進而有助于提高氫氣的純度以及回收率。

圖9 循環(huán)穩(wěn)態(tài)后H2、CO、CO2、CH4在吸附階段隨著軸向距離的氣相濃度分布曲線Fig.9 Gas phase concentration of H2,CO,CO2 and CH4 in the adsorption stage after cycling steady state

3.7 循環(huán)穩(wěn)態(tài)下塔內(nèi)氣相溫度、壓力以及塔底解吸氣含量的動態(tài)分析

系統(tǒng)的壓力和溫度以及重組分在塔底解吸氣中的分布情況均是評估吸附工藝性能的重要參數(shù)，圖10(a)為循環(huán)穩(wěn)態(tài)時單周期下塔內(nèi)氣相溫度分布，圖10(b)為壓力分布，圖10(c)、(d)分別為塔底解吸氣分布和塔底解吸氣中CO 分布。從圖10(a)可以看出，吸附開始時在活性炭層距離進料端0.1、0.2 和0.3 m處溫度均呈現(xiàn)上升趨勢，吸附步驟結(jié)束時溫度均達到最大值，并且在0.1 m 處的最大值要高于0.2 m 以及0.3 m 處，在沖洗結(jié)束時溫度降至最低。首先，吸附過程是一個放熱過程，隨著氣體不斷被吸附，放出的熱量也不斷增加，直至吸附結(jié)束時，放出的能量達到最大，因此該步驟結(jié)束時溫度也達到最高值；其次從前面分析中發(fā)現(xiàn)在活性炭上存在明顯的競爭吸附行為，在吸附優(yōu)先順序上主要為CO2>CH4>CO，所以在軸向距離上，CO2吸附量逐漸降低，而其吸附熱又大于CH4和CO 的吸附熱，所以在距離進料口0.1 m 處溫度達到的最大值大于0.2 m 和0.3 m 處。由于解吸是一個吸熱過程，沖洗結(jié)束后，吸附塔的再生度最高，所以該步驟結(jié)束后溫度降至最低。另外從圖10(c)、(d)中可以看出，在逆放和沖洗階段，CO、CO2、CH4等重組分均被不同程度地富集，然后從吸附塔底部解吸下來，同時在重組分解吸過程中，一部分氫氣也會伴隨著從塔底流出，這可能也是限制氫氣回收率的一個主要因素。

圖10 循環(huán)穩(wěn)態(tài)時吸附塔內(nèi)氣相溫度軸向分布和壓力分布以及塔底解吸氣分布Fig.10 Temperature distribution,pressure profile within adsorption bed,and desorption gas distribution at the bottom of the bed at cycle steady state

4 結(jié) 論

本文以蒸汽甲烷重整氣為原料氣（H2/CO/CO2/CH4=76%/0.5%/20%/3.5%），采用活性炭和5A 分子篩為吸附劑，實驗測定了H2、CO、CO2、CH4、N2五種組分的吸附量數(shù)據(jù)，利用商業(yè)軟件Aspen Adsorption作為平臺，設(shè)計了八塔十六步PSA 工藝流程的數(shù)學(xué)模型。探究了進料流量、活性炭和5A分子篩裝填比例和沖洗進料比對于氫氣純度和回收率的影響。結(jié)果表明，當(dāng)進料流量為0.38 mol·s-1，吸附劑裝填比例為0.5∶0.5，沖洗進料比為12.7%時，可以獲得99.986%的氫氣純度，84.90%回收率。接著針對較優(yōu)的工藝組合進行了工業(yè)PSA 制氫開車過程的模擬，并分析了開車過程中塔內(nèi)各組分在吸附、順放以及沖洗三個步驟結(jié)束時的動態(tài)吸附行為以及系統(tǒng)達到穩(wěn)態(tài)后吸附階段動態(tài)行為和塔內(nèi)溫度變化。結(jié)果表明，重組分CO、CO2、CH4的吸附前沿均會隨著循環(huán)周期向塔頂移動，循環(huán)穩(wěn)態(tài)時移動停止，該現(xiàn)象一方面與塔的再生程度有關(guān)，在沖洗的再生方式下，塔的底部會有一定量的重組分累積，導(dǎo)致塔的下部利用效率降低，另一方面與整個循環(huán)過程中存在的組分間競爭吸附行為有關(guān)；其次分析發(fā)現(xiàn)CO的吸附前沿在吸附階段會到達5A分子篩中后部，這可能是重組分在塔底的累積以及競爭吸附的共同作用所導(dǎo)致的，CO吸附前沿的移動過多，使得CO成為了限制氫氣純度的主要因素。在今后的工作中，設(shè)計出更加合理的塔再生方式來提高塔的再生效果或者采用三層以上吸附劑組合方式有利于獲得更高純度和回收率的氫氣。

符 號 說 明

ap——單位體積吸附劑床層的表面積，m2·m-3

bi——Langmuir模型中組分i的等溫線參數(shù)，bar-1

b0——Langmuir模型等溫線參數(shù)，bar-1

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

Cvg——氣體比定容熱容，kJ·mol-1·K-1

ci——組分i的氣相濃度，mol·m-3

Dax,i——組分i的軸向擴散系數(shù)，m2·s-1

Db——吸附塔內(nèi)徑，m

De,i——組分i的擴散系數(shù)計算中間值，m2·s-1

Dk,i——組分i的努森擴散系數(shù)，m2·s-1

Dm,i——組分i的分子擴散系數(shù)，m2·s-1

F——通過閥門的氣體的流量，mol·s-1

Fin——進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——氣固之間傳熱系數(shù)，W·m-2·K-1

hw——氣壁之間傳熱系數(shù)，W·m-2·K-1

kg——氣體熱導(dǎo)率，W·m-1·K-1

kLDF,i——組分i線性推動力（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

P——壓力，bar

Pfeed——進料壓力，bar

Pi——組分i的分壓，bar

Pinlet——進口的壓力，bar

Poulet——出口的壓力，bar

Pstan——標(biāo)準(zhǔn)大氣壓，bar

——組分i的吸附量，mol·kg-1

——組分i的平衡吸附量，mol·kg-1

qinert——惰性氣體的吸附量，mol·kg-1

q*inert——惰性氣體的平衡吸附量，mol·kg-1

qm,i——組分i的比飽和吸附容量，mol·kg-1

R——吸附模型擬合相關(guān)系數(shù)

Rg——氣體狀態(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

Tfeed——進料溫度，K

Tg——氣相溫度，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——時間，s

tad——吸附步驟時間，s

tcycle——單周期循環(huán)時間，s

u——氣體流速，m·s-1

vg——表觀氣速，m·s-1

Wt——吸附塔壁厚，m

wads——單塔裝填的吸附劑質(zhì)量，kg

yi——組分i的摩爾分數(shù)

yin，H2——進入系統(tǒng)的H2純度

yinert——惰性氣體體積分數(shù)

yout，H2——產(chǎn)品氣的H2純度

z——軸向距離，m

εb——床層空隙率

εp——吸附劑孔隙率

μ——氣體動力學(xué)黏度，kg·m-1?s-1

ρb——吸附劑堆積密度，kg·m-3

ρg——氣體密度，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