Математическое моделирование процессов, протекающих в портативных установках короткоцикловой безнагревной адсорбции

Зависимость интенсивности передачи пакетов асинхронного трафика /-ой станции от интервала времени приведена в таблице 3. Исходные данные для расчётов приведены в таблице 4.

Таким образом, предложенная модель позволяет для известной пропускной способности станции рассчитать ширину полосы пропускания при обеспечении заданного уровня качества обслуживания.

УДК 661.935 Е.И. Акулинин

Тамбовский государственный технический университет, Тамбов, Россия

МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ, ПРОТЕКАЮЩИХ В ПОРТАТИВНЫХ УСТАНОВКАХ КОРОТКОЦИКЛОВОЙ БЕЗНАГРЕВНОЙ АДСОРБЦИИ

In article the urgency of creation of the portable oxygen concentrator basis of pressure swing adsorption technology it is considered. The urgency of mathematical model using at creation pressure swing adsorptions systems is analyzed. The mathematical model of reception oxygen process from air is described. Problems of modelling are formulated. Results of modelling as schedules are resulted. Adequacity of the received results is estimated. The estimation of an opportunity of further use this results is given.

В статье рассматривается актуальность создания портативного концентратора кислорода на основе технологии короткоцикловой безнагревной адсорбции. Анализируется актуальность использования математической модели при проектировании установок короткоцикловой безнагревной адсорбции. Описывается математическая модель процесса получения кислорода из воздуха. Формулируются задачи моделирования. Приводятся результаты моделирования в виде графиков. Оценивается адекватность полученных результатов. Дается оценка возможности дальнейшего использования результатов.

В последнее время в мире активно развивается направление по созданию малогабаритных установок, применяемых, в первую очередь, в медицинских целях, работающих на основе технологии короткоцикловой безнагревной адсорбции (КБА) [1]. Развитие этого направления связано с тем, что аппараты на основе технологии КБА обладают рядом преимуществ: простота и удобство использования, долговечность и безопасность по сравнению с другими способами получения кислорода для индивидуального использования. В настоящее время предпринимаются попытки создания портативных установок КБА [2, 3]. Однако серийно выпускаемых образцов не существует из-за сложностей, связанных с малоизученностью протекающих в них процессов. Пор-

Табл. 4. Исходные данные для расчётов

Число байт в фрейме Количество служебной информации в фрейме Средняя длина пакетного сигнала в слот, с

Ёмкость буфера в пакетах Пропускная способность, соответственно, при хорошей и плохой мощности сигнала, С(г) Фактор сокращения пропускной способности

Интенсивность передачи вызова, [кЬ/я]

L = 384 байт H = 40 байт тт = 1,945 Q(l) = 8000 8.75 Мбит/с 8 Мбит/с

= 0,9 ¡л(Г) = 4,096

тативная установка может быть создана и будет эффективно работать только с использованием специальных схем организации процесса - в частности, схемы короткоцик-ловой безнагревной адсорбции с предельно короткими циклами (Rapid pressure swing adsorption - RPSA). Сверхкороткие циклы характеризуются рядом особенностей: наличие быстро сменяющих друг друга динамических тепловых и диффузионных процессов и неравновесных условий их протекания.

Эффективного решения задач, возникающих при разработке портативных установок КБА, можно добиться, используя инструменты математического моделирования. Моделирование процессов со сверхкороткими циклами имеет ряд отличий от моделей процессов, протекающих в стационарных промышленных адсорбционных установках безнагревной адсорбции.

Существует ограниченное количество схем, которые могут быть использованы при создании портативных установок КБА. Моделирование любой из этих схем сводится, главным образом, к описанию процессов, протекающих в слое адсорбента в адсорбере установки (рис. 1).

Рис. 1. Схема адсорбера: 1, 4 - входные и выходные штуцеры газового потока, 2 - корпус адсорбера, 3 - адсорбент

Для определения зависимости концентрации получаемого продуктового кислорода от величины времени цикла сорбции-десорбции, толщины слоя адсорбента, размера микропор, соотношения материальных потоков в установке и соотношения между размером частиц адсорбента и длиной слоя, была сформулирована математическая модель адсорбера в виде замкнутой системы уравнений материального и теплового баланса по газовой и твердой фазе для двухкомпонентной смеси с граничными и начальными условиями, зависящими от схемы организации процесса [4].

Рис. 2. Схема двухадсорберной установки КБА: 1,5 - клапаны, 2 - адсорберы, 3 - обратные клапаны, 4 - дюза, 6 - дросселирующий вентиль

азота в адсорбенте (динамика фронта (рис 3,4).

В нашем случае рассматривалась работа классической схемы КБА с двумя адсорберами, попеременно работающими в стадиях адсорбции и десорбции, и одной операцией уравнивания давлений между ними (рис. 2).

При моделировании использовались ад-сорбционно-структурные характеристики цеолита ЫЬ8Х как обладающего наибольшей емкостью и селективностью по азоту [4].

Расход получаемой газовоздушной смеси - 3.. .5 л/мин, исходной смеси - 20 л/мин; давление адсорбции 3 ата, давление десорбции 0,5 ата; концентрация кислорода в исходной смеси -21%, в получаемой смеси не ниже 30%.

Диаметр частиц цеолита принимаем равным 0,4 мм. При заданной производительности установки рабочий объем рабочий объем адсорбера не должен превышать 0,25 л.

На основании численного эксперимента были получены распределения концентрации адсорбции) для различных длин слоя адсорбента

Как можно видеть из рис. 3, 4 увеличение скорости потока уменьшает размывающее воздействие продольной диффузии, поскольку решающее значение приобретает конвективный перенос вещества. Фронт адсорбции, представленный на рис. 4 по своему виду ближе к обрывному. Обрывной фронт позволяет более полно использовать адсорбционную емкость адсорбента, поскольку динамическая активность адсорбента выше [5].

Рис. 3. Динамика фронта адсорбции азота в адсорбенте при адсорбции при длине слоя 0,15 м

Рис. 4. Динамика фронта адсорбции азота в адсорбенте при адсорбции при длине слоя 0,28 м

Таким образом, мы определили предпочтительную длину слоя адсорбента с диаметром частиц 0,4 мм.

Исследование влияния времени цикла (и соответственно, стадии адсорбции) на выходную концентрацию кислорода позволило определить длительность каждой из стадий в цикле. Например, в рассматриваемом случае (для стадии адсорбции), чем короче время стадии, тем меньше величина проскока, и тем выше концентрация кислорода в продуктовой газо-воздушной смеси (рис 5 ,6).

Рис. 6. Динамика фронта адсорбции азота в адсорбенте при адсорбции, время стадии - 2.5 с.

Рис. 7. Динамика фронта адсорбции азота в адсорбенте при адсорбции, время стадии - 0.5 с.

Также с использованием модели определены соотношения материальных потоков в установке (в частности, необходимый объем промывки) по минимально допустимой концентрации кислорода в продуктовой смеси при адсорбции и максимально допустимой концентрации азота при десорбции.

Адекватность представленной математической модели проверялась по выходной концентрации кислорода в продуктовой газо-воздушной смеси. В результате сравнения выходной концентрации, полученной по результатам имитационного моделирования и экспериментально на двухадсорберном стенде установки КБА было установлено расхождение не более 10%.

Полученные в результате моделирования результаты позволяют значительно облегчить проектирование реальной установки RPSA.

Список литературы

1. Пат. 6691702 США, МКИ3 B01D 128/202.26. Portable oxygen concentration system and method of using the same / W. S. Appel; D. P. Winter; B. K. Sward; M. Sugano; E. Salter; J. A. Bixby / № 134868; заяв. 29.05.02; опубл. 17.02.04, Бюл. №12. -24 с.

2. Пат. 7171963 США, МКИ2 B01D 11/054.512. Product pump for an oxygen concentrator / T.W. Jagger, N.P. Van Brunt, J.A. Kivisto, P.B. Lonnes / № 128201; заяв. 9.02.05; опубл. 6.02.07, Бюл. №11. -23 с.

3. Salil U, Yang R. Limits for air separation by adsorption with LiX zeolite / U. Salil, R. Yang // Ind. Eng. Chem. Res. 1997. -P. 5358-5365.

4. Акулинин, Е.И. Оценка возможности создания портативного концентратора кислорода на основе технологии короткоцикловой безнагревной адсорбции: дис. ... магистра техники и технологии: 15.04.22 / Е.И. Акулинин. - Тамбов, 2007.- 118 с.

5. Глупанов, В.Н. Получение кислорода и азота адсорбционным разделением воздуха / В.Н. Глупанов, Ю.И. Шумяцкий, Ю.А. Серегин, С.А. Брехнер. М.: ЦИНТИХИМНЕФТЕМАШ, 1991 - 47 с.

УДК 66.011

Е.Н. Ивашкина, Е.М. Юрьев

Томский политехнический университет», Томск, Россия

ПРОГНОЗ ЭФФЕКТИВНОСТИ РАБОТЫ РЕАКТОРНОГО БЛОКА ПРОЦЕССА ДЕГИДРИРОВАНИЯ Н-ПАРАФИНОВ С ПРИМЕНЕНИЕМ

МАТЕМАТИЧЕСКОЙ МОДЕЛИ

In this article the applied using of technological modelling system of dehydrogenation process of n-paraffins has been examined. In the basis of this system a formalized mechanism of hydrocarbons transformation on the Pt-catalyst surface lies. Using of the developed system allows to prolongate the catalyst durability due to optimization of its usage mode and also to model different variants of plant reconstruction. After preliminary research of temperature influence, raw materials consumption and volume on the process efficiency, it was ascertained that one of the possible variants is switch into two-reactor scheme. Conformity of proposed variants of plant reconstruction has been economically proved. This helps to raise efficiency of detergents obtaining.

В статье рассмотрено прикладное использование математической модели процесса дегидрирования н-парафинов, в основе которой лежит формализованный механизм превращения углеводородов на поверхности Pt-катализатора. Показано, что использование разработанной модели позволяет рассчитывать различные варианты реконструкции установки производства линейных алкилбензолов, в частности, при переходе на работу двух реакторов, включенных параллельно. Рассмотрены возможные технологические режимы процесса дегидрирования н- парафинов при переходе на двухреакторную схему.

В настоящее время перспективными являются процессы синтеза линейных алкилбензолов (ЛАБ), используемых для получения линейных алкилбензолсульфанатов