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轮胎氮气硫化PSA供氮机理及实验研究

作　者: 王存鑫
导　师: 何树植；汪传生
学　校: 青岛科技大学
专　业: 机械制造及其自动化
关键词: 蒸汽/氮气硫化变压吸附制氮数值模拟
分类号: TQ336.1
类　型: 硕士论文
年　份: 2007年
下　载: 63次
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内容摘要

子午线轮胎因其特殊的结构，需要在高温高压下进行硫化，才能保证其使用性能。蒸汽／氮气硫化工艺与传统的硫化工艺相比能更好的满足了子午线轮胎硫化的要求，得到了推广和应用。而该硫化工艺需要专门的制氮设备，以提供高压、高纯度氮气充入胶囊内，以保证内压的要求。变压吸附法(Presure swing adsorption，简称PSA)是一种新型的气体分离技术，可适应多种应用场合、可实现高度自动化、具有显著的节能降耗效果且一次性成本投入小。PSA法制取氮气可以一步制取纯度在99.99％的高纯氮气，充分满足了轮胎氮气硫化的工艺要求。目前国内还没有研究出成熟定型的轮胎氮气硫化专用供氮装置，有鉴于此本课题组针对轮胎氮气硫化的特殊要求，查阅了国内外大量文献，并对制氮的机理和技术进行了深入的研究，在此基础上研制了一套小型实验用变压吸附制氮系统，并且进行了实验研究，包括快速确定单塔吸附时间，双塔均压时间；改变操作压力、操作周期、原料气流量、高径比等工艺参数，考察它们对系统的影响。经实验研究可以看出：在相同的吸附压力下氮气流量的增加以氧含量的升高为代价，即氮气纯度降低；适当提高吸附压力，在相同纯度下可以提高氮气流量，在相同流量下可以得到更高纯度的产品氮气；当吸附压力超出分子筛的正常工作压力时，氮气纯度反而降低得很快，而且加速分子筛粉化。在本装置的运行过程中，吸附塔内的最佳工作压力为0.8Mpa；通过确定单塔吸附时间选择最合适的吸附周期，本套装置中确定最佳吸附周期为67s。本文还对吸附塔两端气体分流板的气孔布置进行了优化，针对氮气硫化工艺的用气量不稳定的特点设计了稳压装置。本文将PSA过程看作等温过程，建立了基于LDF方程的等温过程数学模型，模拟了吸附床气相氧气浓度随时间的变化过程，研究了吸附时间、吸附压力、进气流速等工艺参数对过程性能的影响，产品气浓度与循环次数的关系。数值模拟结果为深入研究微型PSA制氮提供了理论依据。

全文目录

摘要  3-4
Abstract  4-9
前言  9-10
符号说明  10-11
1 文献综述  11-29
  1.1 轮胎硫化技术简介  12-16
    1.1.1 轮胎硫化的概念  12-13
    1.1.2 工业中常用的硫化工艺  13-16
  1.2 轮胎氮气硫化供氮方法及设备的发展  16-26
    1.2.1 轮胎氮气硫化与制氮设备的关系  16
    1.2.2 供氮装置的发展及其现状  16-23
    1.2.3 变压吸附制氮装置的现状  23-26
  1.3 本文研究目的、内容及意义  26-29
    1.3.1 研究目的  26
    1.3.2 研究内容  26-27
    1.3.3 研究的意义  27-29
2 轮胎氮气硫化PSA供氮的机理及关键技术  29-47
  2.1 轮胎氮气硫化PSA供氮系统的技术特征  29-32
    2.1.1 一步制取高纯氮气  29
    2.1.2 氮气流稳压装置  29-30
    2.1.3 有效的分子筛粉化控制技术  30-31
    2.1.4 优质的吸附剂  31
    2.1.5 显著的节能效果  31-32
  2.2 轮胎氮气硫化PSA供氮装置制取氮气机理  32-40
    2.2.1 空气分离制取氮气的机理  32-36
    2.2.2 吸附传质速率方程  36-37
    2.2.3 吸附塔内的传质规律  37-38
    2.2.4 轮胎氮气硫化PSA制氮装置的优势  38-40
  2.3 轮胎氮气硫化PSA供氮系统的关键技术  40-46
    2.3.1 吸附剂的选择  40-44
    2.3.2 变压吸附循环的选择  44-45
    2.3.3 其他关键技术  45-46
  2.4 本章小结  46-47
3 实验研究  47-69
  3.1 实验装置设计  47-57
    3.1.1 实验装置组成  47-50
    3.1.2 主要零部件的设计  50-53
    3.1.3 主要部件选型  53-56
    3.1.4 实验装置的性能参数  56-57
  3.2 测试设备与控制系统  57-63
    3.2.1 主要测试设备与仪器  57
    3.2.2 控制系统  57-63
      3.2.2.1 氮气硫化对制氮装置的要求  57-58
      3.2.2.2 控制系统的硬件组成  58-59
      3.4.2.3 控制系统的软件组成  59-63
  3.3 实验装置的装配与调试  63-64
    3.3.1 总体要求  63-64
    3.3.2 吸附器装配要求  64
    3.3.3 管路、阀门及配电线路安装  64
  3.4 实验装置操作说明  64-66
    3.4.1 开机前准备工作  64-65
    3.4.2 设备启动  65-66
    3.4.3 设备停车  66
  3.5 实验准备及方案  66-67
    3.5.1 实验前的准备工作  66-67
    3.5.2 实验方案及目的  67
      3.5.2.1 实验方案  67
      3.5.2.2 实验目的  67
  3.6 本章小结  67-69
4 实验数据及其分析  69-83
  4.1 实验数据  69-73
  4.2 数据分析  73-82
    4.2.1 单塔吸附时间  73-74
    4.2.2 双塔均压时间  74-75
    4.2.3 稳定循环次数  75-76
    4.2.4 各操作阶段床层内压力变化情况  76-77
    4.2.5 不同吸附周期下塔内氧气浓度的分布  77-79
    4.2.6 保留时间对产品氮气纯度的影响  79
    4.2.7 不同纯度下流速对产品回收率的影响  79-80
    4.2.8 保留时间对产品回收率的影响  80-81
    4.2.9 吸附压力、氮气纯度和氮气流量的关系  81-82
  4.3 本章小结  82-83
5 变压吸附制氮过程的数值模拟  83-99
  5.1 变压吸附过程物理模型  83-85
  5.2 变压吸附模型的建立  85-90
    5.2.1 模型的建立与简化  85-87
    5.2.2 初始条件的确定  87-88
    5.2.3 边界条件的建立  88-89
    5.2.4 数学模型参数与基础物性参数的选取  89-90
  5.3 PSA模型的求解方法  90-95
    5.3.1 PSA数学模型的无因次方程组  91-93
    5.3.2 数学模型正交配置方程  93-95
  5.4 实验与模拟结果的比较  95-98
    5.4.1 吸附塔出口浓度随操作周期数变化的趋势  95
    5.4.2 吸附塔内轴向浓度分布及其移动  95-97
    5.4.3 不同压力下流速比值大小对产品纯度的影响  97-98
  5.5 本章小结  98-99
6 全文总结  99-102
  6.1 结论  99-101
  6.2 展望  101-102
参考文献  102-107
致谢  107-108
攻读硕士学位期间发表的论文  108-109

轮胎氮气硫化PSA供氮机理及实验研究

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