Разработаны математические модели динамики короткоцикловых процессов адсорбционного разделения синтез-газа (на водород, диоксид и оксид углерода) и атмосферного воздуха (на кислород, азот и аргон), позволяющие рассчитывать профили концентраций компонентов и температуры в газовой и твердой фазах, давления и скорости газовой смеси по высоте адсорбента в зависимости от времени. Модели включают дифференциальные уравнения с частными и обыкновенными производными, описывающие: 1) процессы массо- и теплообмена, протекающие при адсорбции (десорбции) сорбтива (H2, CO2, CO и O2, N2, Ar) гранулированными цеолитовыми адсорбентами CaA и NaХ; 2) кинетику смешанно-диффузионного переноса адсорбтива и изотермы Ленгмюра-Фрейндлиха (при разделении синтез-газа), кинетики внешней диффузии и изотермы Дубинина-Радушкевича (при разделении воздуха) и уравнение Эргуна для расчета скорости газовой смеси в адсорбенте. Систему дифференциальных уравнений в частных производных решали методом прямых, систему дифференциальных уравнений в обыкновенных производных -методом Рунге-Кутты 4-го порядка точности с автоматическим выбором шага. Анализ точности математической модели процессов адсорбционного разделения синтез-газа и получения водорода проводили с использованием относительной погрешности рассогласования расчетных по модели и экспериментальных значений концентрации продукционного водорода в «установившемся состоянии» (после 15-30 циклов функционирования установки КБА), максимальное значение которой не превышало 11,5%. Выполнены численные исследования влияния изменения температуры, состава и давления исходной газовой смеси на чистоту, степень извлечения и температуру продукционного водорода и кислорода в широком диапазоне изменения времени цикла «адсорбция – десорбция» и давления на стадии адсорбции, связи производительности установки короткоцикловой безнагревной адсорбцией с чистотой получаемого продукта (водорода, кислорода). Сформулирована и решена задача адаптивной оптимизации процесса адсорбционного разделения газовой смеси и получения водорода и кислорода с максимальной концентрацией, разработано алгоритмическое и программное обеспечение автоматизированной системы адаптивного управления.

короткоцикловая безнагревная адсорбция, цеолитовый адсорбент, синтез-газ, воздух, математическая модель, численный анализ, оптимизация, управление

1. Ruthven D.M., Farooq S., Knaebel K.S. Pressure swing adsorption. New York, 1993. 376 с.

2. Akulinin Е.I., Ishin А.А., Skvortsov S.А., Dvoretskiy D.S. et al. Mathematical modeling of hydrogen production process by pressure swing adsorption method // Advanced Materials and Technologies. 2017. № 2. Р. 38–49. doi: 10.17277/amt.2017.01

3. Акулинин Е.И., Дворецкий Д.С., Дворецкий С.И. Динамика циклических адсорбционных процессов обогащения воздуха кислородом: моделирование и оптимизация // Вестник Технологического университета. 2016. Т.19. № 17. С. 108–114.

4. Ko D., Siriwardane R., Biegler L. Optimization of pressure swing adsorption and fractionated vacuum pressure swing adsorption processes for CO2 capture // Industrial & Engineering Chemistry Research. 2005. V. 44 (21). P. 8084–8094.

5. Baksh M.S.A., Ackley M.W. Pressure swing adsorption process for the production of hydrogen. Pat. 6340382 USA. 2002.

6. Кириллин В.А, Сычев В.В, Шейндлин А.Е. Техническая термодинамика. М.: Издательский дом МЭИ, 2016. 496 c.

7. Шумяцкий Ю.И. Промышленные адсорбционные процессы. М.: КолосС, 2009. 183 с.

8. Кельцев Н.В. Основы адсорбционной техники. М.: Химия,1984. 592 с.

9. Shokroo E., Farsani D., Meymandi H., Yadoliahi N. Comparative study of zeolite 5A and zeolite 13X in air separation by pressure swing adsorption // Korean Journal of Chemical Engineering. 2016. V. 33 (4), P. 1391–1401.

10. Реклейтис Г., Рейвиндран А., Рэгсдел К. Оптимизация в технике. М.: Мир, 1986. 320 с.