一种用于模拟变温变压吸附过程的计算方法

司文学 陈贵娥 汤传斌

(中国恩菲工程技术有限公司， 北京 100038)

0 前言

自吸附技术在工业上应用以来，已经得到了快速的推广应用，目前已经广泛应用于气体干燥、气体纯化、空分制氧制氮、乙醇脱水、煤层气富甲烷化等领域[1]。尤其是当前环保问题日益严峻，使用吸附的方式对气体进行净化已经逐渐成为现代工业中不可缺少的一部分。

吸附过程变化复杂，具有明显的周期性操作特点，工艺参数间的耦合性强，数学模型较为复杂，单纯依靠试验进行工业化装置设计很难取得良好的效果[2]。为了提高工程设计的准确性，最大限度地降低设计误差，有必要借助计算机进行辅助设计并对吸附过程进行模拟。目前，常用的吸附模拟计算软件主要有Aspen Adsorption、gPROMS、FLUENT，其中Aspen Adsorption比较适合用于一般技术人员对吸附过程的开发和优化，而gPROMS和FLUENT比较适合于专业人员使用，而且这些商业软件的售价都比较高，难以满足工程技术人员的需求。因此，笔者开发了一种用于多晶硅生产过程中干法回收循环氢气进行吸附纯化模拟的计算方法，即序贯模块法，使用该方法编译的软件对计算机硬件要求不高，能够快速地对吸附器的基本参数和产品纯度进行动态计算。

1 模型方程

在多晶硅生产过程中，为了保证多晶硅产品质量，要求从还原尾气回收得到的回收氢气中的吸附质(氯化氢、二氯二氢硅、三氯氢硅、四氯化硅)含量均低于0.001 mg/L。为了达到此目的，回收氢气的纯化基本上都是采用变温、变压的吸附装置，这不仅能够保证回收氢气的纯度达到要求，而且使回收氢气的成本能够保持在较低水平，使氢气的循环利用成为可能。

1.1 吸附装置的特点

该吸附装置具有以下特点：

1)一般采用煤制活性炭吸附剂或者椰壳制活性炭吸附剂[3]，但后者的饱和吸附量至少是煤质活性炭饱和吸附量的2倍，一般能达到2.5倍，所以使用椰壳制活性炭的居多。

2)采用变温、变压的工艺，一般24 h循环一次，每次循环一般包含低温高压吸附、降压、低压升温脱附、低压降温再生、升压备用等5个步骤。

3)典型的一套吸附装置常采用3台吸附器交替循环的操作方式，每台吸附器都依次按照“吸附- 脱附- 再生”的流程不断循环，并且在同一时间，这3台吸附器分别处于吸附、脱附、再生的状态。因此，只需要对吸附装置中的任意1台吸附器进行全流程模拟即可。

4)要求吸附装置能连续运行8 000 h,并且保证回收的氢气质量均能满足要求。

1.2 模型方程的建立

根据吸附装置循环运行特点，只需要模拟其中1台吸附器的连续不同阶段即可。本文所示的序贯模块法根据吸附剂的吸附曲线和吸附器的几何结构，模拟变温变压吸附器循环工作过程，起到了辅助设备设计和改进装置生产的作用，解决了以往无法对变温变压吸附器进行精确模拟的问题，节省了设计时间和成本，提高了设计精度。序贯模块法的计算过程包含以下几个基本模块[4-5]：

1)基本物性模块。用于计算气体的焓、温度、压力、体积，以及吸附剂和容器的质量、体积和比热等。

2)吸附平衡模块。用于计算吸附和脱附过程中的吸附平衡，以及用于计算吸附过程中吸附量和吸附热等。根据装置运行过程特点，本文使用了一种新型扩展后的Langmuir吸附模型，影响因素包括温度、压力、浓度、吸附剂量。

3)质量平衡模块。用于计算质量守恒，包括传质及吸附传质，以及归一化方程。

4)热量平衡模块。用于计算能量守恒，包括传热及吸附热。

5)传质平衡模块。用于计算传递过程，包括节点间质量传递及吸附质在吸附剂之间的质量传递过程。

6)过程控制模块。用于迭代控制、过程控制和收敛控制等。

2 计算过程

用于多晶硅生产过程中干法回收循环氢气进行吸附纯化的吸附流程如图1所示，模拟氢气吸附纯化的计算过程如图2所示。

图1 氢气纯化的吸附流程

图2 氢气吸附纯化的计算过程

2.1 输入边界条件

一个完整的吸附过程至少需要4种物流条件(温度、压力、流量、组成)：

1)在吸附阶段，含吸附质的气体A(原料气)进入吸附器A端，从吸附器的B端得到不含吸附质的气体B(吸附后气)。

2)在降压阶段，从吸附器的A端得到含吸附质的气体D(再生后气)，在这个过程中，也可以往吸附器的B端通入不含吸附质的气体C(冲洗气体)。

3)升温阶段、降温阶段和升压阶段，往吸附器的B端通入不含吸附质的气体C，从吸附器的A端得到含吸附质的气体D。

4)气体D在降压阶段、升温阶段、降温阶段和升压阶段的组成及各组分含量是不同的，而气体C 的流速在这些阶段根据吸附器内压力、或者升温和降温的需要而不同。

2.2 初始化

在开始计算之前，首先需要将吸附器内的吸附剂进行网格划分，通过计算结果与实际装置运行结果进行对比，发现将吸附器模型按轴向划分为一维模型，计算结果就能满足工程设计要求。划分模型时，网格步长控制在0.01～0.2 m较为合理。除了网格划分外，还需要对吸附器内环境及管线进行初始化设置，在多晶硅生产过程中，可以将环境设置为常温的纯氢气环境。

2.3 节点计算

在每个节点计算中，都需要计算物料平衡、热量平衡、吸附平衡和传质平衡。不同的过程阶段需要采用不同的计算方法，对于吸附过程、升温过程和降温过程，建议采用恒压计算，比较快捷且不影响计算结果；而对于降压和升压过程则建议采用恒容计算。在迭代计算时，一般时间步长控制在0.1～5 s，计算结果变化不大。

2.4 节点控制

在吸附操作的各个过程中，吸附器内的热量传递和物质传递各不相同，有的物流在过程变化后就需要改变流动方向，而有的物流则不需要改变流动方向，因此需要准确控制吸附器内部物流的传递方向，将物流信息准确地传递到下个节点是十分必要的。所以，在完成一个节点计算后，需要根据目前所处的过程判断下一个节点位置，并向该节点传递信息。

2.5 过程控制

与节点控制类似，当前过程完成后，初始化下一个过程并传递信息。

2.6 输出信息

在计算过程中，可以在任何时间输出需要查看的数据和信息，例如吸附器内沿轴向方向的温度分布、压力分布、吸附质浓度分布、吸附后气体的流量和其中各组分的浓度分布、再生气体的流量和气体中各组分浓度分布等。

3 实际应用

某多晶硅厂A的吸附器使用内置换热管进行加热和冷却，在实际运行中存在吸附剂温度升不上去也降不下来的问题。使用上述计算方法编制的程序进行分析后发现，该问题主要是由于活性炭导热能力低、吸附器换热面积不足造成的。经过模拟，在不改造旧装置设备换热结构的前提下，能够比较好地解决问题的措施就是增加升温过程中使用的高温气体流量，同时在降温过程中增加常温冲洗气体的流量。

某多晶硅厂B针对某多晶硅厂A吸附器存在的换热效果差的问题，重新设计了吸附器的换热结构，通过在吸附器内部设置大量换热管对吸附剂进行加热和冷却，大幅度减小了换热管之间的距离，从而有效地缩短了吸附剂升温和降温的时间，从根本上解决了某多晶硅厂A的吸附器存在的吸附剂温度升不上去也降不下来问题。新设计的吸附器在实际生产过程中，吸附剂的升温和降温均达到了设计要求，而且运行成本较低，使用效果较好。

4 结束语

本文所述的可以用于模拟变温、变压吸附器循环操作的计算方法和控制方法具有坚实的理论基础和实践依据，据此编制的计算机程序可以较好地用于工程设计实践中。本文作者使用该计算机程序模拟了旧吸附器的循环操作过程，通过分析找到了造成设备换热效果差的原因，并针对此问题提出了解决方案。另外，作者使用该计算机程序针对旧吸附器存在的问题进一步设计出了具有新换热结构形式的吸附器，新的吸附器换热结构强化了吸附器内部换热管与吸附剂之间的传热。新设备的生产实践应用证明了新吸附器换热效果良好，从而进一步证明本文所述的计算方法和控制方法的可靠性，能够较好地满足工程设计需要，可用于旧装置的改造和新装置的精确设计，起到了节省投资和降低运行成本的作用。