用Aspen_Adsorption模拟氯化氢脱水

用Aspen_Adsorption模拟氯化氢脱水

２０１２年３月

Ｍａｒ．２０１２

化学工业与工程

ＣＨＥＭｌＣＡＬ

ＩＮＤＵＳＴＲＹ

ＡＮＤ

ＥＮＧＩＮＥＥＲＩＮＧ

第２９卷

Ｖｏ】．２９

第２期

Ｎｏ．２

文章编号：１００４—９５３３（２０１２）０２—００５８—０５

用ＡｓｐｅｎＡｄｓｏｒｐｔｉｏｎ模拟氯化氢脱水

刘本旭，宋宝东８

（天津大学化工学院，天津３０００７２）

摘要：利用ＡｓｐｅｎＡｄｓｏｒｐｔｉｏｎ模拟氯化氢吸附脱微量水过程。通过吸附平衡试验数据估算吸附等温

线的常数项，用简化的单塔模型进行了穿透曲线的模拟，得到吸附塔内空隙中水的浓度分布以及塔内吸附剂的吸附量随时间的变化情况，可以看到传质区在轴方向上移动；进一步研究了传质系数和操作压力的变化对穿透曲线的影响，变化趋势与文献报道一致。关键词：吸附；氯化氢脱水；ＡｓｐｅｎＡｄｓｏｒｐｔｉｏｎ；吸附等温线

中图分类号：ＴＱ０２８．２

文献标志码：Ａ

ＳｉｍｕｌａｔｉｏｎｏｆＨｙｄｒｏｇｅｎＣｈｌｏｒｉｄｅＤｅｈｙｄｒａｔｉｏｎｂｙＡｓｐｅｎＡｄｓｏｒｐｔｉｏｎ

ＬＩＵＢｅｎ—ｘｕ，ＳＯＮＧＢａｏ?ｄｏｎｇ＋

（Ｓｃｈ００１ｏｆｃｈｅｍｉｃａｌＥ“ｇｉｎｅｅｒｉｎｇａｎｄＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，ＴｉａｎｊｉｎｕｎｉＶｅｒｓｉｔｙ，Ｔｉａｎｊｉｎ３０００７２，ｃｈｉｎａ）

Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ａｄｓｏｒｐｔｉｏｎｉｓ

ｎｏｗ

ｂｒｏａｄｌｙｕｓｅｄｉｎａｉｒｓｅｐａｒａｔｉｏｎ，ｈｙｄｒｏｇｅｎｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎ，ｄｅｈｙｄｒａｔｉｏｎｏｆｇａｓｅｓａｎｄ

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ｌ【ｅｙｗｏｒｄｓ：ａｄｓｏｒｐｔｉｏｎ；ｈｙｄｒｏｇｅｎｃｈｌｏｒｉｄｅｄｅｈｙｄｒａｔｉｏｎ；

ＡｓｐｅｎＡｄｓｏｒｐｔｉｏｎ；

ｉｓｏｔｈｅｒｍ

高纯的氯化氢气体在半导体设备的制造中有重要作用，不论是在硅晶体的外延，还是在硅片刻蚀中都对氯化氢的干燥度有极高要求。并且含水的氯化氢有强的腐蚀性，其输送管道需频繁检修以及更换。１。。因此将氯化氢气体中的水分脱除到尽可能少是很有必要的。

目前，气体的干燥主要有３种方式：化学除湿法、冷冻除湿法和吸附法。化学除湿法是采用液体如硫酸、氯化锂、溴化锂和甘油来吸收气体中水分，或者采用活性固体如氢氧化钠、氢氧化钾、硫酸钙或无水氯化钙进行除水；冷冻除湿法是采用制冷剂

收稿日期：２０１ｌ一０９一ｌ

８

如氟利昂、液氮对气体进行冷冻干燥，并利用蓄冷器及可逆式换热器冻结除去微量水；吸附法则是利用多孑Ｌ性的固体吸附剂如活性氧化铝、硅胶和分子筛等处理气体混合物，使气体中的水分被吸附到固体表面从而达到干燥气体的目的心。。化学除湿法虽然操作简单，但是在使用时要考虑气体与除湿剂的反应；冷冻除湿法则存在干燥剂（制冷剂）消耗快，不经济的缺点，而且水分容易冻结，阻塞管道。与其它两种方法相比，吸附法具有工艺操作简便、自动化程度高以及吸附剂可以再生使用且寿命长等优点。国内外的很多文献报道用吸附的方法除

作者简介：刘本旭（１９８６一），男，山东菏泽人，硕士研究生，现从事气体脱水方面的研究。联系人：宋宝东，电话：１３９２０２２５５９９，Ｅ—ｍａｉｌ：ｂｄｓｏ“ｇ＠ｔｊｕ．ｅｄｕ．ｃｎ。

万方数据

第２９卷第２期

刘本旭，等：用Ａ８ｐｅｎＡｄｓｏｒｐｔｉｏｎ模拟氯化氢脱水

５９

去氯化氢中的水以获取高纯度的氯化氢气体【３。…。

基于吸附法的诸多优点，本论文应用Ａｓｐｅｎ

Ａｄ—

ｓｏｒｐｔｉｏｎ模拟氯化氢脱水，目的在于减少实际的试验次数，为缩短设计时间、节约试验成本提供一种思路。１

模拟过程

应用的模拟软件是ＡｓｐｅｎＴｅｃｈ公司的Ａｓｐｅｎ

０ｎｅＶ７．１中的ＡｓｐｅｎＡｄｓｏｒｐｔｉｏｎ组件，在以前的版本中名为ＡｓｐｅｎＡｄｓｉｍ。该组件是专门为模拟吸附过程开发的，能够模拟气体、液体混合组分的吸附分离过程和离子交换过程。本论文的模拟都以简化的模型进行，模拟的对象为含微量水的氯化氢气体，水含量在（５００～３０００）×１０“（摩尔分数），并将其视为理想气体，并假设整个过程等温。吸附剂假设为沸石分子筛，本论文关系吸附床层的相关数据根据工业实际生产装置并参考软件中空气脱水的实例来选择。

模拟内容包括：氯化氢气体中的水在某种吸附剂上的吸附等温线常数项的估算；穿透曲线的模拟；传质系数和操作压力对穿透曲线的影响。

１．１

模拟过程中的数学方法¨１

１．１．１塔内动量和质量守恒方程

假设气体在吸附柱内的流动为活塞流，没有轴

向扩散和径向扩散，并且径向浓度相同，气流穿过床层的压力降由欧根（Ｅｒｇｕｎ）方程计算，方程为：

ａｐ—ａｚ

儿７５舢。脚。景ｕ。（１）

—弋五了－吨

１．５×１０—３（１—８。）

总的质量守恒方程为：

掣Ⅵ；鲁＝。

（２）

ｃＩｚ‘●

ｄＥ

气相中的每种组分其质量守恒方程有相同的形式，方程为：

飞Ｅ：鲁＿Ｅ，。÷（ｒ抄掣＋

占Ｂ÷＋．，；＝ｏａ￡

。

（３）

、

１．１．２

动力学假设

一般情况下，需要考虑轴向扩散项和径向扩散项，但扩散系数难以获得。在ＡｓｐｅｎＡｄｓｏｒｐｔｉｏｎ中扩散系数被设为常数或者作为局部条件的函数来计

万方数据

算。在本论文中忽略了扩散项。假设气相和固相之间只存在对流传质，传质阻力利用线性推动力描

述，用一个总的传质系数Ｍ彤来表示阻力项，传递

过程中没有积累，传递速率等于吸附速率。其方程

如下：

ａ＇』７

．，。＝一Ｍ７１Ｃ。。ｐ。（埘。＋一训。）＝一ｐ。二ｉ二

（４）

ｏｂ

１．１．３偏微分方程的解法

模拟过程中偏微分方程的离散方法采用Ｕｐ—

ｗｉｎｄ

Ｄｅｆｅｒｅｎｃｉｎｇ

ｓｃｈｅｍｅｌ（ｕＤｓｌ），即一价上风差分

法，其形式为：

ｆｊ—ｆ；http:///
一、

？！、

～－），

、

△ｚ

１．２模拟过程中参数的设置

——＝一

ａｒｔａｆ

１．２．１

吸附等温线参数的估算

估算是指利用实际实验过程得到的数据来拟合得到所需要的参数，如吸附等温线的常数项参数等。本论文采用ｌ组根据动态试验数据得到的静态吸附数据（见表１）进行估算，表１的数据根据穿透实验结果计算得到。用Ｓｔａｔｉｃ—Ｉｓｏｔｈｅｒｍｍｏｄｅｌ进行静态估算（ｓｔｅａｄｙ

ｓｔａｔｅ

Ｅｓｔｉｍａｔｉｏｎ），选择单组分

Ｌａｎｇｍｕｉｒ吸附等温线作为拟合等温线，其表达式为：

形。?＝尚苏

㈤

要进行估计的参数为，Ｐ。．。：。，伊：，Ｈ２０２个参数。

表１静态吸附数据

Ｔａｂｌｅ１

Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｄａｔａｏｆｓｔａｔｉｃａｄｓｏｒｐｔｉｏｎ

运行模拟得到结果，Ｐ。，邺＝１０．９８５，，Ｐ：．Ｈ＇ｏ＝

１

３３５．４４，相关系数是０．９７４８，误差为１．１２％。

１．２．２

穿透曲线的模拟

模拟穿透曲线所用的流程图见图ｌ；通入塔底的含水氯化氢混合气的组成、温度和压力数据见表２；吸附塔内主要参数的设置见表３。

６０

化学工业与工程２０１２年３月

●

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Ｆ∞ｄ图ｌ模拟所用的流程圈ｎ昏ｌ

Ｆｌｏｗ曲ｅｅｔｏｆ曲ｅｓｉｍｕｌａ廿Ｏｎ

２模拟结果与讨论

２．１穿透曲线

图２显示了塔顶出口气的组成随吸附时间的变化情况。

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图２出口气的组成随时间的变化

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从图２可见，从吸附开始到吸附时间为

１８００

ｓ，塔顶出口气几乎是不含水的氯化氢气体，

含水量小于１０×１０“（摩尔分数）；随着时间的延长，塔内的吸附剂不断饱和；在１

９００

ｓ附近传质

区上边缘到达塔顶，出口气中水含量开始迅速上

升；２５００８以后吸附剂全部饱和，出口气的组成等

于原料气的组成，饱和的吸附床不再有干燥作用，需要再生后才能再次使用。在工业生产中一般要求气体的含水量不高于某个值，所以当检测到出口气体含水量接近这值时会及时切换以保证生产安全。

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