Выполнены численные исследования динамики процессов короткоцикловой безнагревной адсорбции (КБА) разделения атмосферного воздуха, а именно: влияния изменения температуры, состава и давления исходной газовой смеси на чистоту, степень извлечения кислорода и производительность короткоцикловой адсорбционной установки в широком диапазоне изменения режимных параметров ее функционирования (давления на выходе компрессора, длительности цикла «адсорбция-десорбция», коэффициента обратного потока, законов изменения во времени степени открытия регулирующих клапанов). Установлено, что изменение режимных параметров и нагрузки по сырью оказывает существенное влияние на степень извлечения и чистоту кислорода. Установлено, что диапазон значений продолжительности стадии адсорбции и давления на выходе компрессора целесообразно ограничить интервалами 39–43 с и 2.7–2.8?105 Па, соответственно. Время выхода установки на периодический стационарный режим в среднем соответствует 20–30 циклам «адсорбция-десорбция». Сформулированы и решены задачи оптимизации режимных параметров циклических процессов адсорбционного разделения атмосферного воздуха, осуществляемых в двухадсорберной напорной установке с гранулированным цеолитовым адсорбентом NaX, по критерию максимальной степени извлечения кислорода; определены оптимальные режимы функционирования установки для различных условий окружающей среды, при которых обеспечиваются заданные значения чистоты продукционного кислорода (более 45 об. %) и производительности установки ( ~2 л/мин). Показано, что реализация оптимальных законов изменения во времени степени открытия впускных и сбросных клапанов установки КБА позволяет обеспечить заданные значения скорости газового потока в «лобовом» слое адсорбента, при которых не наблюдается истирание адсорбента при реализации многократных циклических адсорбционно–десорбционных процессов.

короткоцикловая безнагревная адсорбция, цеолитовый адсорбент NaX, кислород, воздух, динамика, математическое моделирование, вычислительный эксперимент, оптимизация

1. Moran A., Talu O. Limitations of portable pressure swing adsorption processes for air separation // Ind. Eng. Chem. Res. 2018. V. 57. № 35. P. 11981–11987.

2. Li J.H. The experimental study of a new pressure equalization step in the pressure swing adsorption cycle of a portable oxygen concentrator // Bio-medical Materials and Engineering. 2014. V. 24. № 5. P. 1771–1779.

3. Wu C., Vemula R., Kothare M., Sircar S. Experimental Study of a Novel Rapid Pressure-Swing Adsorption Based Medical Oxygen Concentrator: Effect of the Adsorbent Selectivity of N2 over O2 // Ind. Eng. Chem. Res. 2016. V. 55. № 16. P. 4676–4681.

4. Xu M., Wu H.-C., Lin Y.S., Deng S. Simulation and optimization of pressure swing adsorption process for high-temperature air separation by perovskite sorbents // Chemical Engineering Journal. 2018. № 354. P. 62–74.

5. Ding Z., Han Z., Fu Q., Shen Y. et al. Optimization and analysis of the VPSA process for industrial-scale oxygen production // Adsorption. 2018. V. 24. № 5. P. 499–516.

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

7. 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.

8. Beeyani A.K., Singh K., Vyas R.K., Kumar S. et al. Parametric studies and simulation of PSA process for oxygen production from air // Polish Journal of Chemical Technology. 2010. V. 12. № 2. P. 18–28.

9. Hosseinzadeh Hejazi S.A., Estupinan Perez L., Rajendran A., Kuznicki S. Cycle Development and Process Optimization of High-Purity Oxygen Production Using Silver-Exchanged Titanosilicates // Industrial and Engineering Chemistry Research. 2017. V. 56. № 19. P. 5679–5691.

10. Ягодовский В.Д. Адсорбция М.: БИНОМ. Лаборатория знаний, 2015. 219 с.

11. Skvortsov S.A., Akulinin E.I., Golubyatnikov O.O., Dvoretsky D.S. et al. Mathematical modelling of cyclic pressure swing adsorption processes // Journal of Physics: Conference Series. 2018. V. 1015.

12. Акулинин Е.И., Голубятников О.О, Дворецкий Д.С., Дворецкий С.И. Оптимальное проектирование короткоцикловых адсорбционных установок для концентрирования кислорода // Известия СПбГТИ(ТУ). 2017. № 41. С. 103–111.

13. Rice R.G., Do D.D. Applied Mathematics and Modeling for Chemical Engineers: 2 ed. NewJersey, 2012.

14. Гольдштейн А.Л. Оптимизация в среде MATLAB. Пермь: Изд-во ПНИПУ, 2015. 192 с.