تتضمن عملية إنتاج الأكسجين عن طريق فصل الهواء بالامتزاز بالضغط المتأرجح نقل الكتلة ونقل الحرارة ونقل الزخم. تعتبر التغيرات في الضغط والتركيز ودرجة الحرارة في النظام معقدة ويصعب قياسها. إن الاعتماد على الأبحاث التجريبية البسيطة له حدود كبيرة ومن الصعب الحصول على الآلية الداخلية لعملية فصل الامتزاز. لذلك، بالمقارنة مع الترويج السريع للتطبيقات الصناعية، هناك العديد من الأعمال البحثية التي تحتاج إلى تعزيز.
يتم استخدام برنامج ديناميكيات الموائع الحسابية (CFD) FLUENT للمحاكاة العددية لإنتاج الأكسجين عن طريق امتصاص الضغط المتأرجح. لا يمكن لنموذج الوسط المسامي أحادي الطور الغازي التعبير عن نقل الكتلة ونقل الحرارة بين جزيئات الامتزاز الغازية والصلبة. يتم التعبير عن نقل الكتلة على مرحلتين من الغاز الصلب ونقل الحرارة في عملية فصل الامتزاز المتأرجح بالضغط من خلال برمجة مخصصة. تم تحسين النموذج أحادي الطور إلى نموذج امتزاز تأرجح ضغط تدفق الغاز الصلب ثنائي الطور، ويتم تحليل التفاعل بين مرحلتين الغاز الصلب في عملية دورة امتصاص تأرجح الضغط، ويتم تحليل الآلية الداخلية لامتصاص تأرجح الضغط استكشاف. تم استخدام طريقة CFD لدراسة آثار قطر الجسيمات ومعدل التدفق العكسي على أداء إنتاج الأكسجين PSA، من أجل توجيه التجربة بشكل أفضل وتحليل قانون توزيع التدفق في الطبقة المعبأة بالامتزاز. المحتويات الرئيسية هي:
بناءً على المبدأ الأساسي لإنتاج الأكسجين بفصل الهواء PSA، تم تحديد نموذج معدل نقل الكتلة ونموذج التوازن ثنائي الطور. تم استخدام وظيفة الوظيفة المحددة من قبل المستخدم (UDF) لـ FLUENT لإقران نموذج نقل الكتلة ونموذج التوازن مع نموذج الوسط المسامي لتعكس تأثير نقل الكتلة على مرحلتين للغاز الصلب. من خلال الدالة العددية (UDS) المحددة من قبل المستخدم، تم تقديم معادلة طاقة الطور الصلب لدمج نموذج الطور الواحد المسامي المتوسط في نموذج سرير معبأ ثابت لإنتاج الأكسجين PSA بتدفق الغاز الصلب على مرحلتين أكثر اكتمالاً. تم التحقق من موثوقية نموذج PSA للتدفق ثنائي الطور للغاز الصلب من جوانب المحاكاة والمقارنة التجريبية لمنحنى تساوي حرارة لانجميور للمكونات، واختبار استقلال الشبكة، ومقارنة استخدام نموذج اللزوجة، و محاكاة ومقارنة تجريبية لمتوسط نسبة مولي الأكسجين عند المخرج.
استنادًا إلى نموذج PSA للتدفق الموثوق والمعتمد على مرحلتين، تمت محاكاة وتحليل دورة إنتاج الأكسجين PSA المكونة من أربع خطوات شائعة الاستخدام، وتوزيع جزء مولي الأكسجين في مرحلة الغاز في طبقة الامتزاز في نهاية الخطوات الأربع في دورات مختلفة، تم الحصول على تركيز الامتزاز للمكونات في الطور الصلب وتغير درجة الحرارة على مرحلتين. أظهرت النتائج أن الحد الأقصى لكسر مولي الأكسجين في نهاية الدورة الأولى يمكن أن يصل إلى 72.0%، ومعدل الاسترداد حوالي 31.4%، وتتقلب درجة حرارة الغاز الصلب على مرحلتين حوالي 10 كلفن. أثناء دورة الحالة غير المستقرة، يزداد كل من جزء مولي الأكسجين ومعدل الاسترداد مع زيادة عدد الدورات، لكن معدل الزيادة يتناقص تدريجيًا، ويتم الوصول إلى حالة الاستقرار في الدورة السادسة. بعد استقرار الدورة، يمكن أن يصل الحد الأقصى لكسر مول الأكسجين إلى 99.9%، ويبلغ معدل استرداد الأكسجين حوالي 39.5%. يعتمد تركيز الامتزاز للمكون في الطور الصلب فقط على التركيز المولي للمكون في الطور الغازي، وليس له علاقة ضرورية مع الكسر المولي لمكون الطور الغازي.
يرجع التغير في درجة حرارة الغاز الصلب في المنطقة ثنائية الطور للوسائط المسامية بشكل أساسي إلى امتزاز النيتروجين وامتزازه. تم استخدام نموذج الامتزاز المتأرجح بضغط الجريان ثنائي الطور لدراسة تأثيرات قطر الجسيمات ومعدل الغسيل العكسي على تركيز وقيمة استرداد الأكسجين في منتج إنتاج الأكسجين بامتصاص تأرجح الضغط. عندما كان معدل الغسيل العكسي 0.6، أظهرت مقارنات المحاكاة باستخدام أقطار الجسيمات 0.4mm، 0.8mm، 1.6mm، 3.2mm، و6.4mm أن هناك معدل مثالي. حجم الجسيمات 1.6 ملم سمح لمتوسط الكسر المولي للأكسجين في إنتاج الغاز ومعدل استرداد الأكسجين بالوصول إلى القيم القصوى، والتي كانت 99.7% و39.5% على التوالي. عندما كان قطر الجسيم 1.6 ملم، كانت نتائج محاكاة معدلات الغسيل العكسي هي 0.4، 0.5، 0.6، 0.7، و{{ 31}}.8 وتمت مقارنتها، وتبين أن معدل استرداد الأكسجين قد وصل إلى قيمته القصوى عندما كان معدل الغسيل العكسي 0.6.
