SUPERVISOR
Ahmad Saboonchi,Mahmud Ashrafizadeh
احمد صابونچی (استاد مشاور) محمود اشرفی زاده (استاد راهنما)
STUDENT
Majid Shahimohamadi
مجید شاهی محمدی
FACULTY - DEPARTMENT
دانشکده مهندسی مکانیک
DEGREE
Master of Science (MSc)
YEAR
1388
TITLE
The Study and Comparison of Surface Adsorption Models for PSA Process in Packed Beds
: In pressure swing adsorption, transmission flow from bed is influenced by the swing pressure until adsorption process is performed in the first half time cycle and in high pressure by adsorbent particles, and the rich output of the desirable component is produced. In the second half time cycle, system pressure is low, and desorption process is done by particles until the bed is dissented from saturation state and is made ready for adsorption process in a new half cycle. This continues in multiple cycles, producing further output. This project addresses the simulation of pressure swing adsorption for the separation of Oxygen from air by means of one packed bed (in adsorption and blow-down stages) and two packed bed (entire Skarstorm cycle: pressurization, adsorption, blow-down and purge stages) using Comsol 4.2a software. Adsorbent particles are of 5A zeolite type. In this simulation, in isothermal state, partial mass balance equations for flow components, along with mid LDF relationship, are solved and Langmuire equilibrium isotherm is employed for the expression of equilibrium concentration of components in intraparticles and interparticles. Under these conditions, based on the changes of flow components’ partial pressure in the direction of bed and time, changes of Molecular and Knudsen diffusion coefficients(diffusion coefficient within the macropores of adsorbent particles) are computed. Also, the effect of employing surface diffusion coefficient (diffusion coefficients within the micropores of adsorbent particles) is investigated. Considering the values of these coefficients and tentative relationships, we obtained the effect of changes of axial diffusion coefficient and effective homogenies diffusion coefficient (in correlation with LDF model) for computing Nitrogen adsorption flux and components’ concentration inter particles. In addition, the effect of changes of flow viscosity, which are due to changes of flow components’ mole fraction in the direction of bed and time, on computing Nitrogen’s adsorption flux and components’ concentration inter particles is examined. The results of this simulation are compared with those of process simulation in isothermal state and in states in which axial diffusion coefficient, effective homogenies diffusion coefficient and flow viscosity are assumed to be independent of position (in the direction of bed) and time. Surface diffusion coefficient is also neglected. The importance of this project lies in more precision computation of Nitrogen’s adsorption flux and components’ concentration inter particles, as compared with previous simulations in isothermal states. Also, in this project, the first half time cycle of Skarstorm cycle is simulated with the combination of orthogonal collocation and Finite volume methods using a computer program. The subject model is the Fick model. Equations employed here include partial mass balance equations for flow components within a bed, partial mass balance equations for flow components within the adsorbent particle, and energy balance equation within bed. In this state, changes of temperatures in the direction of bed and time are considered, but changes of temperatures for adsorbent particles (LiLsx zeolite type) are assumed to be only in the direction of time. Keywords: A process, packed bed, adsorbent particle, micro and macropores, Oxygen, Nitrogen
: در فرآیند جذب با تناوب فشار، جریان عبوری از بستر، تحت تأثیر نوسان فشار قرار میگیرد تا فرآیند جذب توسط دانههای جاذب، در نیم سیکل اول زمانی و در فشار بالا، انجام شود و محصول غنی از جزء موردنظر تولید گردد. در نیمسیکل دوم زمانی که فشار سیستم پایین است، فرآیند دفع توسط دانهها صورت میگیرد تا بستر از حالت اشباع خارج شده و مجدداً برای نیم سیکل بعدی، آماده فرآیند جذب شود و این عمل در سیکلهای متعدد ادامه مییابد و محصول بیشتری تولید میگردد. در این پروژه، شبیهسازی فرآیند جذب با تناوب فشار، جهت جداسازی اکسیژن از هوا، بهکمک یک بستر فشرده (در مراحل جذب و تخلیه) و دو بستر فشرده (سیکل کامل اسکار استورم: مراحل فشارزنی، جذب، تخلیه و پاکسازی)، توسط نرمافزار Comsol4.2 a ، انجامشده است. دانههای جاذب از نوع زئولیت 5A می باشند. در این شبیهسازی، در شرایط همدما، معادلات بقاء جرم جزئی اجزاء جریان، همراه با رابطه مدل LDF حل شدهاند که مدل همدمای تعادلی لانگمویر برای بیان تعادل غلظت اجزاء درون دانهها و بین دانهها بهکار گرفته شده است. تحت این شرایط، بر اساس تغییرات فشار جزئی اجزاء جریان در طول بستر و نسبت به زمان، تغییرات ضرایب نفوذ مولکولی و نودسن (ضرایب نفوذ بهدرون حفرههای ماکروی دانه جاذب) محاسبه شده و همچنین تأثیر بهکار بردن ضریب نفوذ سطحی(ضریب نفوذ بهدرون حفرههای میکروی دانه جاذب) لحاظ شده است. بر اساس مقادیر این ضرایب، با توجه به روابط تجربی موجود، تأثیر تغییرات ضریب نفوذ محوری و ضریب نفوذ همگن مؤثر(مربوط به مدل LDF) در محاسبه میزان شار جذب نیتروژن و غلظت اجزاء در بین دانهها بهدست آمده است و علاوهبراین، تأثیر تغییرات ویسکوزیته جریان، ناشی از تغییرات کسر مولی اجزاء جریان در طول بستر و نسبت به زمان، نیز در محاسبه شار جذب نیتروژن و غلظت اجزاء در بین دانهها در نظر گرفته شده است. نتایج بهدست آمده از این شبیهسازی با نتایج بهدست آمده از شبیهسازی فرآیند در شرایط همدما و در حالتی که ضریب نفوذ محوری، ضریب نفوذ همگن مؤثر و ویسکوزیته جریان، مستقل از مکان (امتداد طول بستر) و زمان در نظر گرفته شده و از ضریب نفوذ سطحی صرفنظر شده، مقایسه شده است. اهمیت این پروژه در محاسبه دقیقتر شار جذب نیتروژن و غلظت اجزاء در بین دانهها، نسبت به شبیهسازیهای قبلی، در شرایط همدما می باشد. همچنین در این پروژه، نیم سیکل اول سیکل اسکاراستورم، بهکمک ترکیب روشهای ترتیب متعامد و حجم محدود، توسط کد عددی، شبیهسازی شده است. مدل مورد بررسی، مدل فیک می باشد. معادلات مورد استفاده شامل معادلات بقاء جرم جزئی اجزاء در داخل بستر، معادلات بقاء جرم جزئی اجزاء درون دانه جاذب و معادله بقاء انرژی در داخل بستر می باشد. در این حالت، تغییرات دما در طول بستر و نسبت به زمان در نظر گرفته شده، ولی برای دانههای جاذب (از نوع زئولیت LiLSX) فقط تغییرات زمانی دما، لحاظ شده است. لغات کلیدی: فرآیند PSA ، بستر فشرده، دانه جاذب، حفرههای ماکرو و میکرو، اکسیژن و نیتروژن.