SARS患者专用PSA制氧机变压吸附过程的数值模拟

　为了研制SARS患者专用PSA(Pressure Swing Adsorption)微型制氧机,深入研究吸附器结构的影响具有重要的意义.因为吸附器结构与产品气浓度和产量之间存在着重要的相互联系,在相同的几何尺寸条件下,不同的吸附器结构,制氧的结果不同.制氧规模越小,这种影响越明显.由于变压吸附过程的复杂性和各种参数之间的耦合特性,吸附器结构影响研究往往需要大量的实验,这将直接导致研发费用的升高以及设备开发周期延长,并且,有些过程参数通过实验很难直接测定[1].因此,采用数值模拟和实验研究相结合的手段,研究不同吸附器结构对制氧产量和浓度的影响,归纳氧气产量和浓度与吸附器结构的关系,总结微型化吸附器结构设计的一般规律成为重要课题[2].

基于微型变压吸附氧氮分离过程的特点和线性推动力模型,建立描述该过程的数学模型,确定求解的边界条件、初始条件以及求解方法.并探讨所建模型的可靠性和实用性,旨在为深入研究SARS患者专用PSA制氧机及其吸附器结构优化打下基础.

1　吸附器内氧氮分离过程的数学模型

1.1　物理模型

如图1所示,微型变压吸附制氧机的吸附器一般为铝质管型结构.吸附器内部装填球状的沸石分子筛,分子筛床层上下两端采用分流板固定.分离过程由吸附、降压、反吹清洗和升压4个基本阶段构成[3],见图2.在气体吸附和解吸过程中,分子筛颗粒位置固定不动,而气流在分子筛颗粒间隙中流动,传质在气相和分子筛之间进行,属于固定床吸附模式.随着气相组分与分子筛颗粒之间的传质,即吸附或解吸过程的进行,气流的速度沿吸附床轴向不断变化.

1.2　数学模型

吸附器内氧氮的分离属于固定床反应器内的传质过程,由于吸附剂颗粒直径远远小于吸附器的内径,气体速度、压力和组分浓度沿吸附床径向的分布可以忽略不计.并且微型制氧装置的循环周期较短,铝质器壁导热性能良好,由吸附和解吸过程产生的吸附床温度波动较小,可以认为吸附器内氧氮的分离过程为等温过程[4].沿吸附床轴向的压降可由Ergun方程计算得到,即使不考虑分子筛的吸附作用,吸附床的压降仅为吸附压力的5%左右,因此变压吸附过程中床层压降对过程性能的影响很小,为简化模型方程,可以忽略轴向的压降[5].另外由于氧、氩在沸石分子筛上表现出非常接近的吸附特性,为减少模型中方程的个数,认为空气由氧、氮2种气体构成(氧/氮=21/79),并且在气相组分中理想气体状态方程成立.

考虑气相组分沿吸附床轴向的扩散作用,在吸附床上任取一微元体(见图3),列出气相中关于A组分的质量守恒方程,并代入理想气体状态方程,化简可得吸附床的气相组分方程: