[发明专利]一种预测固定吸附床传质行为模型的建模方法

说明书

本发明公开了一种预测固定吸附床传质行为模型的建模方法，其应用属于气体吸或液体吸附分离领域。固定床吸附动力学模型的构建需要将流体相质量平衡与颗粒扩散方程以及相界面偶合方程相联立。通过无量纲化，并且利用线性系统理论的方法，得到了拉普拉斯域的解。本发明建立了基于以上过程的固定床吸附动力学数学模型，最后通过数值反演算法来求解该模型，最终实现了单组分吸附物在固定吸附床穿透行为的模拟。

技术领域

本发明涉及气体或液体吸附分离领域，具体涉及一种预测固定吸附床传质行为模型的建模方法。

背景技术

固定床中吸附传质过程是十分复杂的传质过程，如何能用简单合理的数学动力学模型对其传质过程进行简化描述，使整个传质过程能够实现模拟预测已成为研究的重点。

对于固定床吸附，影响性能的变量包括系统变量，如柱的尺寸，吸附剂颗粒尺寸和填料密度，以及操作变量包括进料速度、温度和压力。

人们常用穿透曲线的概念来描述填料层的性能，穿透出现的时间和穿透曲线的形状是决定固定吸附床操作和动态响应的重要特征。

许多人推导出了固定床吸附器传质模型的精确解析解的各种表达式。

当轴向色散现象与膜外扩散阻力和膜内扩散阻力耦合时，数学模型变得更加复杂，解析解有时是可得到的，但它们经常表示为缓慢收敛级数，或包含更高的超越函数，必须通过适当的子程序数值计算。

在这种情况下，计算出穿透曲线需要很长时间，因此，对于固定床吸附器，希望有一种既易于编写，又能快速计算的模型。

本专利建立了固定床传质动力学模型，该模型考虑了线性吸附平衡系统具有非理想塞流行为的外部和内部传质阻力，将固定床总体流体相质量平衡与颗粒内扩散方程和相耦合条件联立，应用线性系统理论的方法并在拉普拉斯域下求解，得到了拉式域下的解；应用欧拉数值反演方法可以快速得到时域的解。

吸附技术作为一种绿色、环保、高效的分离技术，在将来的必将取代吸收技术成为物质分离的重要方法，因此需要对固定床吸附性能和固定床工艺的设计进行更多的研究与认识。

本专利发明了一种预测固定吸附床传质行为模型的建模方法，利用这种建模方法其计算结果可以很好地与实验结果相吻合。

发明内容

本发明提供了一种目的在于通过对固定床传质过程建立合适的数学模型，然后对这一数学模型采用适当的求解算法进行数值求解，最终来实现预测固定吸附床传质行为的建模方法，以此来评价吸附材料或吸附器性能，对吸附工艺进行优化。

为了实现上述发明目的，本发明提出了一种预测固定吸附床传质行为模型的建模方法；最终实现了预测固定床吸附穿透行为的模拟。

发明涉及一种预测固定吸附床传质行为模型的建模方法，包含以下步骤：

步骤一：为了建立固定床吸附传质动力学模型，提出假设条件；

步骤二：固定床整体流体相质量平衡方程建立与无量纲化；

步骤三：建立无外扩散阻力时相界面耦合条件；

步骤四：建立无外扩散阻力时固定床吸附动力学模型；

步骤五：建立有外扩散阻力时相界面耦合条件；

步骤六：建立有外扩散阻力时固定床吸附动力学模型；

步骤七：对所建立的数学模型选取合适的拉普拉斯数值反演方法求解。

进一步，步骤一中为了建立该系统的数学模型，提出了以下假设：整个固定吸附床的压降忽略不计；固定吸附床整个系统保持恒温，或者认为温度的变化对系统的影响很小；在吸附和解吸的过程中，固定吸附床中流体相流体速度是恒定的；流型由平推流模型来描述；被吸附组分的热力学平衡关系使用线性平衡等温线。

进一步，步骤二包含以下分步骤：