一種用于模擬變溫變壓吸附過程的計算方法

司文學(xué) 陳貴娥 湯傳斌

(中國恩菲工程技術(shù)有限公司， 北京 100038)

0 前言

自吸附技術(shù)在工業(yè)上應(yīng)用以來，已經(jīng)得到了快速的推廣應(yīng)用，目前已經(jīng)廣泛應(yīng)用于氣體干燥、氣體純化、空分制氧制氮、乙醇脫水、煤層氣富甲烷化等領(lǐng)域[1]。尤其是當(dāng)前環(huán)保問題日益嚴(yán)峻，使用吸附的方式對氣體進(jìn)行凈化已經(jīng)逐漸成為現(xiàn)代工業(yè)中不可缺少的一部分。

吸附過程變化復(fù)雜，具有明顯的周期性操作特點(diǎn)，工藝參數(shù)間的耦合性強(qiáng)，數(shù)學(xué)模型較為復(fù)雜，單純依靠試驗(yàn)進(jìn)行工業(yè)化裝置設(shè)計很難取得良好的效果[2]。為了提高工程設(shè)計的準(zhǔn)確性，最大限度地降低設(shè)計誤差，有必要借助計算機(jī)進(jìn)行輔助設(shè)計并對吸附過程進(jìn)行模擬。目前，常用的吸附模擬計算軟件主要有Aspen Adsorption、gPROMS、FLUENT，其中Aspen Adsorption比較適合用于一般技術(shù)人員對吸附過程的開發(fā)和優(yōu)化，而gPROMS和FLUENT比較適合于專業(yè)人員使用，而且這些商業(yè)軟件的售價都比較高，難以滿足工程技術(shù)人員的需求。因此，筆者開發(fā)了一種用于多晶硅生產(chǎn)過程中干法回收循環(huán)氫氣進(jìn)行吸附純化模擬的計算方法，即序貫?zāi)K法，使用該方法編譯的軟件對計算機(jī)硬件要求不高，能夠快速地對吸附器的基本參數(shù)和產(chǎn)品純度進(jìn)行動態(tài)計算。

1 模型方程

在多晶硅生產(chǎn)過程中，為了保證多晶硅產(chǎn)品質(zhì)量，要求從還原尾氣回收得到的回收氫氣中的吸附質(zhì)(氯化氫、二氯二氫硅、三氯氫硅、四氯化硅)含量均低于0.001 mg/L。為了達(dá)到此目的，回收氫氣的純化基本上都是采用變溫、變壓的吸附裝置，這不僅能夠保證回收氫氣的純度達(dá)到要求，而且使回收氫氣的成本能夠保持在較低水平，使氫氣的循環(huán)利用成為可能。

1.1 吸附裝置的特點(diǎn)

該吸附裝置具有以下特點(diǎn)：

1)一般采用煤制活性炭吸附劑或者椰殼制活性炭吸附劑[3]，但后者的飽和吸附量至少是煤質(zhì)活性炭飽和吸附量的2倍，一般能達(dá)到2.5倍，所以使用椰殼制活性炭的居多。

2)采用變溫、變壓的工藝，一般24 h循環(huán)一次，每次循環(huán)一般包含低溫高壓吸附、降壓、低壓升溫脫附、低壓降溫再生、升壓備用等5個步驟。

3)典型的一套吸附裝置常采用3臺吸附器交替循環(huán)的操作方式，每臺吸附器都依次按照“吸附- 脫附- 再生”的流程不斷循環(huán)，并且在同一時間，這3臺吸附器分別處于吸附、脫附、再生的狀態(tài)。因此，只需要對吸附裝置中的任意1臺吸附器進(jìn)行全流程模擬即可。

4)要求吸附裝置能連續(xù)運(yùn)行8 000 h,并且保證回收的氫氣質(zhì)量均能滿足要求。

1.2 模型方程的建立

根據(jù)吸附裝置循環(huán)運(yùn)行特點(diǎn)，只需要模擬其中1臺吸附器的連續(xù)不同階段即可。本文所示的序貫?zāi)K法根據(jù)吸附劑的吸附曲線和吸附器的幾何結(jié)構(gòu)，模擬變溫變壓吸附器循環(huán)工作過程，起到了輔助設(shè)備設(shè)計和改進(jìn)裝置生產(chǎn)的作用，解決了以往無法對變溫變壓吸附器進(jìn)行精確模擬的問題，節(jié)省了設(shè)計時間和成本，提高了設(shè)計精度。序貫?zāi)K法的計算過程包含以下幾個基本模塊[4-5]：

1)基本物性模塊。用于計算氣體的焓、溫度、壓力、體積，以及吸附劑和容器的質(zhì)量、體積和比熱等。

2)吸附平衡模塊。用于計算吸附和脫附過程中的吸附平衡，以及用于計算吸附過程中吸附量和吸附熱等。根據(jù)裝置運(yùn)行過程特點(diǎn)，本文使用了一種新型擴(kuò)展后的Langmuir吸附模型，影響因素包括溫度、壓力、濃度、吸附劑量。

3)質(zhì)量平衡模塊。用于計算質(zhì)量守恒，包括傳質(zhì)及吸附傳質(zhì)，以及歸一化方程。

4)熱量平衡模塊。用于計算能量守恒，包括傳熱及吸附熱。

5)傳質(zhì)平衡模塊。用于計算傳遞過程，包括節(jié)點(diǎn)間質(zhì)量傳遞及吸附質(zhì)在吸附劑之間的質(zhì)量傳遞過程。

6)過程控制模塊。用于迭代控制、過程控制和收斂控制等。

2 計算過程

用于多晶硅生產(chǎn)過程中干法回收循環(huán)氫氣進(jìn)行吸附純化的吸附流程如圖1所示，模擬氫氣吸附純化的計算過程如圖2所示。

圖1 氫氣純化的吸附流程

圖2 氫氣吸附純化的計算過程

2.1 輸入邊界條件

一個完整的吸附過程至少需要4種物流條件(溫度、壓力、流量、組成)：

1)在吸附階段，含吸附質(zhì)的氣體A(原料氣)進(jìn)入吸附器A端，從吸附器的B端得到不含吸附質(zhì)的氣體B(吸附后氣)。

2)在降壓階段，從吸附器的A端得到含吸附質(zhì)的氣體D(再生后氣)，在這個過程中，也可以往吸附器的B端通入不含吸附質(zhì)的氣體C(沖洗氣體)。

3)升溫階段、降溫階段和升壓階段，往吸附器的B端通入不含吸附質(zhì)的氣體C，從吸附器的A端得到含吸附質(zhì)的氣體D。

4)氣體D在降壓階段、升溫階段、降溫階段和升壓階段的組成及各組分含量是不同的，而氣體C 的流速在這些階段根據(jù)吸附器內(nèi)壓力、或者升溫和降溫的需要而不同。

2.2 初始化

在開始計算之前，首先需要將吸附器內(nèi)的吸附劑進(jìn)行網(wǎng)格劃分，通過計算結(jié)果與實(shí)際裝置運(yùn)行結(jié)果進(jìn)行對比，發(fā)現(xiàn)將吸附器模型按軸向劃分為一維模型，計算結(jié)果就能滿足工程設(shè)計要求。劃分模型時，網(wǎng)格步長控制在0.01～0.2 m較為合理。除了網(wǎng)格劃分外，還需要對吸附器內(nèi)環(huán)境及管線進(jìn)行初始化設(shè)置，在多晶硅生產(chǎn)過程中，可以將環(huán)境設(shè)置為常溫的純氫氣環(huán)境。

2.3 節(jié)點(diǎn)計算

在每個節(jié)點(diǎn)計算中，都需要計算物料平衡、熱量平衡、吸附平衡和傳質(zhì)平衡。不同的過程階段需要采用不同的計算方法，對于吸附過程、升溫過程和降溫過程，建議采用恒壓計算，比較快捷且不影響計算結(jié)果；而對于降壓和升壓過程則建議采用恒容計算。在迭代計算時，一般時間步長控制在0.1～5 s，計算結(jié)果變化不大。

2.4 節(jié)點(diǎn)控制

在吸附操作的各個過程中，吸附器內(nèi)的熱量傳遞和物質(zhì)傳遞各不相同，有的物流在過程變化后就需要改變流動方向，而有的物流則不需要改變流動方向，因此需要準(zhǔn)確控制吸附器內(nèi)部物流的傳遞方向，將物流信息準(zhǔn)確地傳遞到下個節(jié)點(diǎn)是十分必要的。所以，在完成一個節(jié)點(diǎn)計算后，需要根據(jù)目前所處的過程判斷下一個節(jié)點(diǎn)位置，并向該節(jié)點(diǎn)傳遞信息。

2.5 過程控制

與節(jié)點(diǎn)控制類似，當(dāng)前過程完成后，初始化下一個過程并傳遞信息。

2.6 輸出信息

在計算過程中，可以在任何時間輸出需要查看的數(shù)據(jù)和信息，例如吸附器內(nèi)沿軸向方向的溫度分布、壓力分布、吸附質(zhì)濃度分布、吸附后氣體的流量和其中各組分的濃度分布、再生氣體的流量和氣體中各組分濃度分布等。

3 實(shí)際應(yīng)用

某多晶硅廠A的吸附器使用內(nèi)置換熱管進(jìn)行加熱和冷卻，在實(shí)際運(yùn)行中存在吸附劑溫度升不上去也降不下來的問題。使用上述計算方法編制的程序進(jìn)行分析后發(fā)現(xiàn)，該問題主要是由于活性炭導(dǎo)熱能力低、吸附器換熱面積不足造成的。經(jīng)過模擬，在不改造舊裝置設(shè)備換熱結(jié)構(gòu)的前提下，能夠比較好地解決問題的措施就是增加升溫過程中使用的高溫氣體流量，同時在降溫過程中增加常溫沖洗氣體的流量。

某多晶硅廠B針對某多晶硅廠A吸附器存在的換熱效果差的問題，重新設(shè)計了吸附器的換熱結(jié)構(gòu)，通過在吸附器內(nèi)部設(shè)置大量換熱管對吸附劑進(jìn)行加熱和冷卻，大幅度減小了換熱管之間的距離，從而有效地縮短了吸附劑升溫和降溫的時間，從根本上解決了某多晶硅廠A的吸附器存在的吸附劑溫度升不上去也降不下來問題。新設(shè)計的吸附器在實(shí)際生產(chǎn)過程中，吸附劑的升溫和降溫均達(dá)到了設(shè)計要求，而且運(yùn)行成本較低，使用效果較好。

4 結(jié)束語

本文所述的可以用于模擬變溫、變壓吸附器循環(huán)操作的計算方法和控制方法具有堅實(shí)的理論基礎(chǔ)和實(shí)踐依據(jù)，據(jù)此編制的計算機(jī)程序可以較好地用于工程設(shè)計實(shí)踐中。本文作者使用該計算機(jī)程序模擬了舊吸附器的循環(huán)操作過程，通過分析找到了造成設(shè)備換熱效果差的原因，并針對此問題提出了解決方案。另外，作者使用該計算機(jī)程序針對舊吸附器存在的問題進(jìn)一步設(shè)計出了具有新?lián)Q熱結(jié)構(gòu)形式的吸附器，新的吸附器換熱結(jié)構(gòu)強(qiáng)化了吸附器內(nèi)部換熱管與吸附劑之間的傳熱。新設(shè)備的生產(chǎn)實(shí)踐應(yīng)用證明了新吸附器換熱效果良好，從而進(jìn)一步證明本文所述的計算方法和控制方法的可靠性，能夠較好地滿足工程設(shè)計需要，可用于舊裝置的改造和新裝置的精確設(shè)計，起到了節(jié)省投資和降低運(yùn)行成本的作用。