院级本科生科技创新项目研究报告项目名称变压制富氧分子筛延长寿命的研究立项时间2014年10月计划完成时间2015年12月项目负责人储万熠学院与班级冶金与生态工程学院冶金1302班北京科技大学教务摘要变压吸附制氧关键的因素是制氧吸附剂和制氧工艺。
制氧吸附剂的性能优劣和使用寿命直接影响产品气的氧浓度和收率，氮吸附容量是评价制氧吸附剂性能优劣的一项重要指标。
本课题首先对分子筛进行XRF分析、XRD表征和TEM表征探究分子筛的物理及化学性质，确定对分子筛造成影响的条件。
ANSYS FLUENT中的多孔介质模型可以模拟多孔介质内的流体流动、“三传一反”。
PSA空分吸附床由固体吸附剂颗粒填充而成，气-固两相区可作为多孔介质，因此可基于多孔介质模型对变压吸附空分吸附床进行模拟，从而得到床层内气体的流动状态和组分浓度分布情况。
为研究提高分子筛寿命的研究提供可靠有效的实验数据。
Research of Prolong the Life ofPressure-Swinging-Oxygen-Making Molecular SieveAbstractThe keyfactorof thepressure swinging oxygen making is oxygen adsorbentandoxygenprocess. The quality and service life of oxygen adsorbentdirect impact on the oxygenconcentrationandyield of productgas, nitrogen adsorptioncapacity ofthe oxygensorbentperformanceevaluation ofthe meritsofan important indicator.This paperfirstdo XRFanalysis, XRDand TEMcharacterization ofphysicalandchemicalproperties ofmolecular sieveinquiryto determine theimpact onmolecular sievesconditions.The porous medium model in ANSYS FLUENT can simulate fluid flow in porous media. PSA air separation adsorbent bed is filled by a solid sorbent particles, gas - solid two phase region as a porous medium, thus can simulate the pressure swing adsorption air separation adsorbent bed based on the porous medium model, resulting in the flow state within the bed of gas and component concentration distribution for providing valid and reliable experimental data of improving molecular sieve’s life.目录1引言 (1)1.1课题研究背景 (1)1.2课题研究目的及意义 (1)2原矿矿物学分析 (2)2.1分子筛XRF分析 (2)2.2 分子筛XRD表征 (3)2.3 分子筛TEM表征 (5)2.4 分子筛孔隙率实验 (6)2.4.1 失活实验 (6)2.4.2 活化实验 (6)2.4.3 差热曲线 (7)3 ANSYS FLUENT模拟 (8)3.1 模型建立 (8)3.2 模拟结果 (11)3.2.1压力云图 (11)3.2.2 速度云图 (11)3.2.3 温度云图 (12)4 FLUENT模拟结论 (12)参考文献 (12)1引言1.1课题研究背景变压吸附制氧关键的因素是制氧吸附剂和制氧工艺。
制氧吸附剂的性能优劣和使用寿命直接影响产品气的氧浓度和收率，氮吸附容量是评价制氧吸附剂性能优劣的一项重要指标。
国外制氧吸附剂的氮吸附容量普遍比国内要高一些，并且在制氧稳定性方面国外制氧吸附剂比国内有很大优势，因此在相同制氧工艺上就凸显了国内制氧吸附剂的弊端。
1.2课题研究目的及意义对于制氧工艺国内外均已发展成熟，但是对变压吸附法富氧工艺的动态模拟计算的报道并不多。
传统的实验研究：大部分受到设备规模、测量精度、安全隐患等外界因素的限制，存在成本高、操作周期长等缺点。
纯理论分析要求对计算目标抽象化，才有可能得出理论解，而且对于非线性情况，计算过程极其复杂，想要得出解析结果就更加困难。
计算流体力学通过计算机和数值方法求解流体力学的控制方程，对流体力学问题进行模拟和分析。
计算流体动力学CFD(Computational Fluid Dynamic)是一种以流体为研究对象的数值模拟技术，通过计算机迭代计算和图像显示，对包含有流体流动和热传导等相关现象所作的分析，并以此预测流体运动规律的学科，方便直观。
CFD 是模拟流体流动和传递现象从而提高对传递现象理解、优化过程设备设计的可靠工具。
CFD方法结合单纯的实验测量与传统的纯理论分析方法的优点，能够更有效的研究流体流动问题。
传统的实验研究大部分受到设备规模、安全隐患(高温、高压、易燃、易爆)、测量精度等外界因素的限制，存在操作周期长，成本高，消耗大量的人力物力等缺点。
理论分析要求对计算目标做抽象简化，才有可能得出理论解，而且对于非线性情况，只有少数流动才能给出解析结粜。
CFD方法正是克服前面两种方法的弱点，采用强大的数值计算能力，解决用理论解析法无法求解的方程和某些由于实验技术所限，难以进行测量的问题。
CFD的应用和发展，降低了研究的工作量和对计算机硬性条件和知识的要求，避免了一些非必要测试实验的次数，节省了大量成本，使CFD应用于研究流体的范围更加不断扩大，推动了流体力学更深入发展。
作为研究流体流动、传热、传质和反应的新方法，计算流体力学方法应用越来越广泛。
CFD软件的多孔介质模型可以模拟多孔介质内的流体流动、“三传一反”。
PSA空分吸附床由固体吸附剂颗粒填充而成，气-固两相区可作为多孔介质，因此可基于多孔介质模型对变压吸附空分吸附床进行模拟，从而得到床层内气体的流动状态和组分浓度分布情况。
ANSYS FLUENT中的多孔介质模型可以模拟多孔介质内的流体流动，为研究提高分子筛寿命的研究提供可靠有效的实验数据。
2原矿矿物学分析2.1分子筛XRF分析表2-1 分子筛的XRF分析HD-1的硅铝比=1.335PU-8的硅铝比=1.369根据硅铝比分析，两种分子筛均为X型分子筛。
为八面沸石结构。
图2-1 八面沸石的骨架结构X型分子筛具有天然矿物八面沸石的骨架结构。
属于六方晶系，空间群为Fd-3m。
晶胞参数:a= 24.345 Å b=24.345 Å c= 24.345Åα= 90.000° β= 90.000° γ= 90.000°骨架密度：13.3 T/1000 Å3其结构单元是β笼，相邻的β笼通过六方柱连接，形成一个超笼结构和三维孔道体系。
超笼中含有4个按四面体取向的12元环孔口，其直径为7.4Å*7.4 Å。
2.2 分子筛XRD 表征1.分子筛的XRD 谱图I n t e n s i t y2θ/ο50100图2-2 HD1的XRD 表征I n t e n s i t y2θ/o图2-3 PU8的XRD 表征由HD1和PU8的XRD 谱图可以看出，两种分子筛均为纯晶体。
HD1的PDF 卡片为PDF#39-0222，Na 96Al 96Si 96O 384·216H 2O 。
PU8的PDF 卡片为Na 1.84Al 2Si 4O 11.92·7H 2O 。
两种分子筛均是典型的LSX 型分子筛，它同时具有X 型分子筛大孔融骨架结构和A 型分子筛低硅铝比的特点，即Si/Al=1，因此对氮气有着更强的吸附性。
2.分子筛失效前，失效后，活化后的XRD 谱图对比020*********50100∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙20406080100204060801002040608010020406080100图2-4 HD1失效前，失效后，活化后的XRD 谱图2040608010020406080100120∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙20406080100204060801001202040608010020406080100120图2-5 PU8失效前，失效后，火化后的XRD 谱图由分子筛失效前，失效后，火化后的XRD 谱图可知，吸水前后以及加热失水前后，分子筛的衍射位与新分子筛几乎相同，可以肯定水分并没有完全破坏分子筛的骨架结构。
2.3 分子筛TEM 表征图2-6 HD1 图2-7失效HD1由上图可知，HDI 分子筛在吸水前后的微观结构并没有差别。
图2-8 PU8PU8分子筛表面被大量的非晶物质覆盖，无法观测其微观结构。
由SEM 的结果推测，其表面可能为有机粘结剂。
大量的有机粘结剂覆盖在晶体表面，使得无法观察。
2.4 分子筛孔隙率实验2.4.1 失活实验失效原因：在变压吸附过程中，仪器出现状况，泄露水分导致空气中含水量过高，分子筛吸水失效。
其水蒸气的浓度存在偶然性，无法获得。
根据失效原因，其失效使由于分子筛吸附过程失水，因此，利用实验室现有条件，使分子筛吸附脱附的过程中吸收水分。
现场的条件：（1）鼓风机加压（45kpa）（2）真空泵抽真空（-50kpa）（3）控制升压降压时间实验室条件：（1）无加压设备（2）可抽真空（BET）（3）升降压过程不可调节失效过程：（1）将分子筛放在空气中自然吸附一天。
（当天温度28.8℃，相对湿度57%，其空气湿度远远大于分子筛所要求的露点（-60℃），所以用这种方法可以使分子筛失效）。
（2）模拟了10次吸附解吸过程。
常压吸附，真空解吸。
图2-9 HD1图2-10 PU82.4.2 活化实验活化原理：利用高温以及低压，使难解吸的水分从分子筛上脱附。
现场活化：（1）干基氮气或干空气（露点低于-60℃）（2）真空加热450℃（3）运行时间无法获得实验室条件：（1）干基氮气（2）最高加热温度为400℃为了测试，400℃的情况下，分子筛是否可以有效的活化，我们做了分子筛的差热分析实验。