Skip to main content
SUPERVISOR
Mahmud Ashrafizadeh,Ahmad Saboonchi
محمود اشرفی زاده (استاد راهنما) احمد صابونچی (استاد مشاور)
 
STUDENT
Iman Etemadi
ایمان اعتمادی

FACULTY - DEPARTMENT

دانشکده مهندسی مکانیک
DEGREE
Master of Science (MSc)
YEAR
1392

TITLE

Simulation and Modeling of Oxygen Generation from Air in the Valveless Pressure Swing Adsorption Process
The demand for portable oxygen generation systems for patients needing oxygen therapy has been tremendously increased in last decade. Using pressure swing adsorption is one of technologies for oxygen separation from air and producing high purity product. In this process, air flow in a cylinder filled with adsorbent perticles is pressurized. Considering the type of adsorbent and its trend, nitrogen component is adsorbed and after that the outlet product from the cylinder will be air with high purity of oxygen as the final product. The currently available devices for oxygen generation have limited portability due to their size and weight that result in restricted mobility of these patients. A small and light weight device with high purity product can significantly improve the quality of life for those people. The adsoroption columns and the compressor are the two principal factors to the size and weight of the PSA units. On the other hand, continuous producing with no hesitation of desired purity of product is the other key factor that makes these units appropriate for medical applications. The principal focus in this study is designing units with proper size and weight which not only does it generate product with desired purity,but it has portable applicability. Therefore, valveless pressure swing adsorption units have been studied. At first, the dynamic model equations and boundary conditions of the unit were explained for the whole stages. Then by using COMSOL Multiphysics software, simulation of the system for four stages in the cyclic steady state was accomplished. In the simulation we used LiLSX zeolite adsorbent. By completing the simulation of this unit, the effects of various process parameters changes such as bed length, sensitivity to the pressure, bed diameter and pressurization/production time on the process performance were investigated. Afterwards, with the same type of adsorbent and pressure range, highest product purity by changing physical parameters simultaneously was obtained. In the next step, an experimental set-up of this unit was installed on a predesigned preliminary system and all of its parameters including storage tank, type of adsorbent, pressure range and flow rate controllers were adjusted. The importence of adjusting flow rate controllers at every part of the unit is in a way that any little changes in the flow rate controllers can influence directly on the outlet product purity of the storage tank. After completing system adjustments, tempreture changes at the beginig and end of the bed, pressure changes at the beginning and end of the bed, and product purity, which is the most important case, were measured. Experimental results showed a good agreement with the simulation results. Keywords: Portable, pressure swing adsorption, oxygen, continuous producing, valveless, LiLSX zeolite
: در دهه ی گذشته تقاضا برای سیستم های تولید اکسیژن قابل‌حمل، مناسب برای بیمارانی که درمان آن ها نیازمند هوای غنی از اکسیژن می باشد، افزایش یافته است. به‌کارگیری واحدهای جذب سطحی با تناوب فشار یکی از روش‌های جداسازی اکسیژن از هوا و تولید محصول با غنای بالای اکسیژن است. در این فرآیند، جریان هوا درون محفظه‌ای که از دانه‌های جاذب پر شده، تحت فشار قرار می گیرد. با توجه به نوع جاذب و تمایل آن، جزء نیتروژن جذب دانه‌ها شده و پس از آن، جریان خروجی از محفظه (سیلندر)، هوایی غنی از اکسیژن به عنوان محصول نهایی است. در سیستم های جذب سطحی با تناوب فشار متداول برای بیماران، ویژگی قابل‌حمل بودن، به دلیل اندازه و وزن سیستم دارای محدودیت است که در نتیجه ی آن تحرک و فعالیت این بیماران نیز با مشکل جدی روبرو شده است. یک واحد کوچک و کم وزن با خلوص محصول خروجی مطلوب می تواند به طرز چشمگیری کیفیت زندگی این افراد را بهبود بخشد. سیلندر جذب و کمپرسور دو عامل تأثیرگذار در اندازه و وزن واحدهای جذب سطحی با تناوب فشار است. از سویی دیگر تولید پیوسته و بدون توقف محصول با خلوص مطلوب فاکتور کلیدی دیگری است که این واحدها را برای کاربردهای پزشکی مناسب می سازد. تمرکز اصلی در کار حاضر بر روی طراحی سیستم هایی با وزن و اندازه مناسب است که علاوه بر تولید پیوسته محصول با خلوص مطلوب، قابلیت حمل را نیز داشته باشد. از این رو، واحدهای جذب با تناوب فشار بدون شیر مورد مطالعه قرار گرفت. در ابتدا، معادلات مدل دینامیکی و شرایط مرزی سیستم برای تمام مراحل تشریح شده است. سپس با استفاده از نرم‌افزار کامسول شبیه‌سازی سیستم برای چهار مرحله در حالت یکنواخت سیکلی انجام گشت. دانه ی جاذب در نظر گرفته شده برای شبیه‌سازی، زئولیت LiLSX است. با اتمام شبیه سازی سیستم مورد نظر، اثر پارامترهای مختلف فرآیند همچون تغییر طول بستر، حساسیت نسبت به تغییر فشار، تغییر قطر بستر و تغییر زمان مراحل فشار زنی/تولید محصول بر روی عملکرد سیستم بررسی شد. پس از آن، با در نظر گرفتن جاذب یکسان و محدوده ی فشار ثابت، بیش ترین خلوص با تغییر همزمان پارامترهای فیزیکی به دست آورده شد. در گام بعد، تجهیزات آزمایشگاهی واحد مورد مطالعه بر روی دستگاهی از پیش طراحی‌شده، نصب شد و تمامی پارامترهای آن از جمله تانک ذخیره، نوع دانه جاذب، محدوده فشار و کنترل کننده های نرخ جریان به دقت تنظیم گشت. اهمیت تنظیم کنترل‌کننده‌های نرخ جریان عبوری از هر بخش سیستم به گونه ای است که افزایش یا کاهش جزئی نرخ جریان در هر قسمت، مستقیماً بر روی خلوص محصول خروجی از تانک ذخیره تأثیر می گذارد. پس از تکمیل تنظیمات واحد، تغییرات دما در ابتدا و انتهای بستر، تغییرات فشار در ابتدا و انتهای بستر، و مهم‌تر از همه خلوص محصول خروجی اندازه‌گیری شد. نمودار تغییرات زمانی هر یک از این پارامترها تطابق خوبی با نتایج حاصل از شبیه‌سازی و فرضیات اتخاذشده در شبیه‌سازی، دارد. کلمات کلیدی: قابل‌حمل، جذب سطحی با تناوب فشار، اکسیژن، تولید پیوسته، بدون شیر، زئولیت LiLSX

ارتقاء امنیت وب با وف بومی