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本文采用实验和数值模拟方法对快速真空变压吸附(rapid vacuumpressure swing adsorption,RVPSA)制氧吸附床内流动、传热传质及分离性能进行系统地研究。建立了 RVPSA制氧过程数学模型,模型中考虑了吸附、吸附热、轴向扩散、气固对流换热等因素对质量和能量变化的影响,并搭建了RVPSA制氧实验装置,对吸附床内的压力、浓度和温度等参数进行了检测,验证了模型。基于所建立的数学模型,对RVPSA制氧吸附床内流动及传热传质过程进行了系统地研究;在此基础上,深入研究了吸附压力和解吸压力、充压方式及降压方式等关键因素对RVPSA制氧吸附床内流动、传热传质及分离性能的影响。通过对RVPSA制氧吸附床内流动及传热传质过程的研究,得到了各循环步骤内吸附床内气流速度、吸附相氧气及氮气浓度和气体温度分布及其随时间演变的规律,并获得了速度、浓度、温度和气体的吸附量在循环周期内随时间和压力变化的关系。RVPSA制氧过程各个循环步骤内速度和温度对压力变化的响应较快,浓度对压力响应较慢;吸附床内存在独立的速度、浓度和温度波,吸附阶段氮气浓度波领先于温度波。随着吸附过程的进行,氮气浓度波和温度波间距离逐渐缩小,但在吸附结束时仍有一定距离。与传统变压吸附(pressure swing adsorption,PSA)制氧过程相比,RVPSA制氧过程浓度波和温度波移动速度分别提高7.3%和35.59%,且与传统PSA制氧过程中浓度波和温度波会重合的结果不同。对吸附压力和解吸压力影响RVPSA制氧吸附床内流动及传热传质的研究,得到了吸附床内流动及传热传质特性随吸附压力和解吸压力变化的规律。在所研究的吸附压力和解吸压力范围内,吸附压力和解吸压力的变化引起RVPSA制氧吸附床内靠近进气端气流速度的变化较小,但原料气充压初期气流速度远大于顺流气体流速的极限值。吸附压力及解吸压力比较大时,原料气充压和吸附阶段结束后吸附相氮气浓度较高,在轴向形成的氧气浓度波较陡峭,传质区长度较短,而靠近进气端气体温度平台的长度较短,靠近出气端温度突然降低的区域长度较长,床层轴向温度梯度较大。对充压方式和降压方式影响RVPSA制氧吸附床内流动、传热传质及分离性能的研究,得到了不同充压和降压方式下流动、传热传质特性及其演变的规律。RVPSA制氧过程原料气充压阶段采用线性充压可有效控制充压过程气体流速,而原料气充压方式对床层浓度和温度分布影响很小。放空降压时间较长时,除下凹型指数函数降压外,其他放空降压方式下靠近吸附床进气端气流速度均小于逆流气体流速极限值;放空降压时间较短时采用下凹型双曲线降压能有效控制气体流速。真空降压时间的缩短有利于减小RVPSA制氧系统的床层因子,而随着真空降压时间的缩短,气流速度逐渐增大,但除下凹型指数函数降压外,气流速度均小于逆流气体流速极限值。而降压方式只在降压时间≤1s时对吸附床内浓度和温度分布的影响较大,且真空降压方式对制氧能耗的影响较小。吸附床完成解吸后采用中间气出气端充压和两步充压均可使靠近出气端床层氮气浓度波被压缩退回,靠近出气端床层气体氧浓度得到快速提高,有利于获得高浓度的产品氧气,而采用中间气两步充压可获得更好的分离性能。用于中间气出气端充压和两步充压的中间气的压力和氧浓度是影响床层浓度和温度分布的关键参数。在深入研究RVPSA制氧吸附床内流动及传热传质特性的基础上,提出了中间气出气端充压和两步充压提高RVPSA制氧过程产氧浓度和氧气回收率的方法,有中间气出气端充压的循环产氧浓度比无中间气出气端充压的提高15.85%,有中间气两步充压的循环氧气回收率比有中间气出气端充压循环提高约5%;并分析总结工艺参数对分离性能影响的实验结果,获得了 RVPSA制氧系统氧气回收率和床层因子随循环周期和吸附压力及解吸压力变化的规律。本文的研究结果可为深入研究RVPSA制氧过程内在机理、掌握其分离规律提供依据,为进一步优化快速变压吸附制氧技术提供参考。