Proces proizvodnje kisika adsorpcijskim odvajanjem zraka uz promjenu tlaka uključuje prijenos mase, prijenos topline i prijenos količine gibanja. Promjene tlaka, koncentracije i temperature u sustavu su složene i teško mjerljive. Oslanjanje na jednostavno eksperimentalno istraživanje ima velika ograničenja i teško je dobiti unutarnji mehanizam procesa adsorpcijske separacije. Stoga, u usporedbi s brzim promicanjem industrijske primjene, postoji mnogo istraživačkih radova koje je potrebno ojačati.
Softver FLUENT za računsku dinamiku fluida (CFD) koristi se za numeričku simulaciju proizvodnje kisika adsorpcijom s promjenama tlaka. Model plinovitog jednofaznog poroznog medija ne može izraziti prijenos mase i topline između plina i krutih adsorpcijskih čestica. Dvofazni prijenos mase plin-krutina i prijenos topline u procesu adsorpcijskog odvajanja uz promjenu tlaka izražavaju se kroz prilagođeno programiranje. Jednofazni model poboljšan je u model adsorpcije s promjenom tlaka dvofaznog protoka plin-krutina, analizirana je interakcija između dvije faze plin-krutina u procesu adsorpcije s promjenom tlaka, a unutarnji mehanizam adsorpcije s promjenom tlaka je istraživao. Metoda CFD korištena je za proučavanje učinaka promjera čestica i brzine povratnog ispiranja na izvedbu proizvodnje kisika PSA, kako bi se bolje usmjerio eksperiment i analizirao zakon raspodjele protoka u adsorpcijskom pakiranom sloju. Glavni sadržaji su:
Na temelju osnovnog principa proizvodnje kisika separacijom zraka PSA, utvrđen je njegov model brzine prijenosa mase i model dvofazne ravnoteže. Funkcija korisnički definirane funkcije (UDF) FLUENT-a korištena je za spajanje modela prijenosa mase i modela ravnoteže s modelom poroznog medija kako bi se odrazio dvofazni učinak prijenosa mase plin-krutina. Preko korisnički definirane skalarne (UDS) funkcije, jednadžba energije krute faze je uvedena kako bi se integrirao jednofazni model poroznog medija u potpuniji dvofazni protok plina i krutine PSA s fiksnim pakiranim slojem za proizvodnju kisika. Pouzdanost PSA modela dvofaznog protoka plin-krutina provjerena je s aspekta simulacije i eksperimentalne usporedbe Langmuirove izotermne krivulje komponenata, testa neovisnosti mreže, usporedbe korištenja modela viskoznosti i simulacija i eksperimentalna usporedba prosječnog molnog udjela kisika na izlazu.
Na temelju uspostavljenog pouzdanog PSA modela dvofaznog toka, simuliran je i analiziran uobičajeno korišten dvoslojni ciklus proizvodnje kisika u četiri koraka PSA, a distribucija molskog udjela kisika u plinovitoj fazi u adsorpcijskom sloju na kraju četiri koraka u različitih ciklusa, dobivena je adsorpcijska koncentracija komponenata u čvrstoj fazi i promjena dvofazne temperature. Rezultati pokazuju da maksimalni molni udio kisika na kraju prvog ciklusa može doseći 72.0%, stopa oporavka je oko 31,4%, a dvofazna temperatura plin-krutina varira oko 10K. Tijekom ciklusa u nestacionarnom stanju, molni udio kisika i stopa oporavka rastu s povećanjem broja ciklusa, ali se stopa povećanja postupno smanjuje, a ravnotežno stanje se postiže u šestom ciklusu. Nakon što se ciklus stabilizira, maksimalni molni udio kisika može doseći 99,9%, a stopa povrata kisika je oko 39,5%. Adsorpcijska koncentracija komponente u čvrstoj fazi ovisi samo o molnoj koncentraciji komponente u plinovitoj fazi i nema nužnog odnosa s molnim udjelom komponente plinovite faze.
Promjena temperature plin-krutina u dvofaznom području poroznog medija uglavnom je posljedica adsorpcije i desorpcije dušika. Model dvofazne protočne adsorpcije uz promjenu tlaka korišten je za proučavanje učinaka promjera čestica i brzine povratnog ispiranja na koncentraciju i vrijednost oporavka kisika u produktu proizvodnje kisika adsorpcije uz promjenu tlaka. Kada je brzina povratnog ispiranja bila 0.6, simulacijske usporedbe pomoću promjera čestica od 0.4 mm, 0.8 mm, 1.6 mm, 3.2 mm i 6.4 mm pokazale su da postoji optimalna veličine čestica od 1,6 mm što je omogućilo da prosječni molarni udio kisika u proizvodnji plina i stopa povrata kisika dosegnu maksimalne vrijednosti, koje su bile 99,7% odnosno 39,5%. Kada je promjer čestica bio 1,6 mm, rezultati simulacije brzina povratnog ispiranja od 0.4, 0.5, 0.6, 0.7 i {{ 31}}.8 uspoređeni su i utvrđeno je da je stopa oporavka kisika dosegla najveću vrijednost kada je brzina povratnog ispiranja bila 0.6.
