Aspen Adsorption在气体吸附过程模拟方面的应用

Aspen Adsorption在气体吸附过程模拟方面的应用

吸附技术在日常生活以及工业生产中都有重要应用。工业吸附剂一般都具有较大的比表面积,以用来增大吸附量。常用的吸附剂包括活性炭、多孔分子筛、MOF(Mental Organic Framework)材料等。吸附技术是利用混合气体或液体中各组分在吸附剂上的吸附能力的差异而进行分离的技术,是气体或液体分离和净化的重要手段,广泛应用于化工、石油、食品、环境保护等各个领域。然而由于吸附系统的复杂性,吸附分离的工业设计和优化是有很大挑战性的,仅靠实验难以对相关机理和迁移现象有深入了解,而且大量的实验还会带来高成本和繁重的工作量。而过程模拟计算能够减少实验的工作量,提高工作效率。Aspen Adsorption是一款吸附模拟软件,常用于气体吸附分离过程的模拟计算,对操作条件优化、设计优化、吸附材料性能评价等方面具有一定的指导作用。

基于此,中国科学院过程工程研究所张妍、程景才等人简要介绍了Aspen Adsorption软件的应用、模型参数和各种衡算方程,总结了其在穿透曲线计算方面的模拟计算和应用,归纳了利用循环控制器Cycle Organizer针对各种类型的变压吸附PSA(Pressure Swing Adsorption)和变温吸附TSA(Temperature Swing Adsorption)过程进行模拟的情况。此外,针对Aspen Adsorption与其他软件结合使用的案例也进行了简要介绍。最后对Aspen Adsorption的未来发展进行了展望。

Aspen Adsorption软件功能介绍

Aspen Adsorption既有简单模型又有循环控制模型。由于吸附-脱附过程一般都是以周期形式进行,所以操作需要以周期形式进行切换。Cycle Organizer是Aspen Adsorption提供的循环控制模块,带有Cycle Organizer模块的吸附流程简图如图1所示。该模块可以按照所设置的时序参数通过流向、流速、阀门等的调节在进料、出料、解吸等过程进行自动切换,从而可以用来对循环过程进行优化设计。

图 1 带有循环控制模块的吸附流程简图

模拟过程需要用到床层和吸附剂的物性参数,主要参数如表1所示。

表 1 吸附床层参数

穿透曲线可以在Aspen Adsorption中计算后直接采用软件中的工具作图,方便进行分析。以空气除湿过程为例,采用分子筛进行吸附床的填充,等温吸附线符合Langmuir方程,水蒸气的穿透曲线如图2所示,可以直观看出水蒸气的穿透过程以及穿透时间。

图 2 Aspen Adsorption 中绘制的穿透曲线

结论

吸附是一种常见的分离方法,对吸附过程进行准确的模拟计算非常重要。Aspen Adsorption作为一个常用的吸附模拟软件,由于界面友好、模型丰富、计算准确等优点,广泛用于吸附过程的模拟计算。

Aspen Adsorption在穿透曲线计算以及PSA/TSA等循环过程的计算方面有较为成熟的模拟方法和较为完善的数据库。采用模拟分析,不仅可以对吸附系统的设计给予指导,对操作条件进行优化,还能够对吸附剂进行评估,为吸附工业的发展提供了有力工具。

随着技术的发展,对模拟计算精度的要求也越来越高。在Aspen Adsorption模拟计算中存在一些假设,比如认为吸附床层是均匀的,吸附剂的孔径是均一的,然而实际孔径有大有小,如果能够模拟不同的孔径分布则会使得模拟结果更加准确。此外,吸附过程的热效应、径向扩散等在目前的计算中由于处理方式复杂且相关参数不易获得而往往被忽略掉,然而这些情况会影响最后的结果。针对实际情况的简便且准确的处理方式也是将来模拟计算的一个发展方向;而模拟计算的发展一定会反过来促进吸附技术的进一步发展。