fluent軟件在徑向吸附器流場(chǎng)模擬的應(yīng)用

繆樟臻 潘明 (中國(guó)空分設(shè)備有限公司)

前言

隨著空分裝置向大型化發(fā)展，臥式和立式垂直流吸附器已難以滿足要求，而徑向流吸附器在工作時(shí)，氣流沿徑向流動(dòng)，氣流的流通截面是大面積的圓環(huán)面，減小氣體流動(dòng)阻力。立式徑向流吸附器的安裝形式為垂直安裝，占地面積僅為臥式吸附器的25%左右[1]。但是與臥式吸附器相比，徑向流吸附器結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，特別是存在著流體沿軸向均布的問(wèn)題。進(jìn)出口氣流的軸向均勻分布直接決定純化器的吸附效果，因此對(duì)進(jìn)出口的氣流分布進(jìn)行研究是很必要的。本文使用fluent軟件對(duì)空氣在吸附器內(nèi)的流場(chǎng)運(yùn)動(dòng)進(jìn)行模擬。

一、徑向流吸附器

徑向流分子篩吸附器的正常工作流程分為吸附過(guò)程和再生過(guò)程。在吸附過(guò)程中，空氣在其中沿軸向作向心的變質(zhì)量流動(dòng)；而在再生過(guò)程中，污氮在其中沿軸向做離心的變質(zhì)量流動(dòng)。與臥式吸附器不同，氣體在徑向流吸附器中做徑向流動(dòng)。

影響徑向流吸附器氣流分布的因素有：反應(yīng)器的長(zhǎng)度、床層空隙率、分子篩和氧化鋁粒徑、分子篩和氧化鋁床層厚度、多孔板的開(kāi)孔率、床層阻力和中心管與環(huán)管橫截面之比，而中心管與環(huán)管橫截面之比對(duì)氣流分布的影響尤為突出[2]。

立式徑向吸附器通過(guò)改變中心管道截面，引起中心管主流體速度和靜壓發(fā)生相應(yīng)的變化，使徑向的靜壓保持與軸向距離無(wú)關(guān)，以獲得均勻一致的徑向速度。這樣就可避免采用小孔率的調(diào)節(jié)板額外增加的床層壓降，達(dá)到流體均布，使空氣通過(guò)吸附器的壓力降達(dá)到最小。

二、fluent軟件模型計(jì)算及簡(jiǎn)化模型

Fluent是目前國(guó)際上比較流行的商用CFD(Computational Fluid Dynamics)軟件包，用來(lái)模擬從不可壓縮到高度可壓縮范圍內(nèi)的復(fù)雜流動(dòng)。Fluent軟件設(shè)計(jì)基于CFD軟件群的思想，從用戶需求角度出發(fā)，針對(duì)各種復(fù)雜流動(dòng)的物理現(xiàn)象，F(xiàn)luent軟件采用不同的離散格式和數(shù)值方法。以期在特定的領(lǐng)域內(nèi)使計(jì)算速度、穩(wěn)定性和精度等方面達(dá)到最佳組合，從而高效率地解決各個(gè)領(lǐng)域的復(fù)雜流動(dòng)計(jì)算問(wèn)題[3]。

根據(jù)40000Nm3/h O2空分裝置立式徑向流純化器結(jié)構(gòu)選擇參數(shù)建立模型，主要考慮橫截面變化對(duì)流體分布的影響，即錐形分布器設(shè)計(jì)的合理性。簡(jiǎn)化忽略了空氣入口時(shí)的分布和多孔板的開(kāi)孔率對(duì)流體分布的影響。邊界條件設(shè)置選擇流量入口、自由出流，選擇軸對(duì)稱模型的中心軸，設(shè)置氧化鋁和分子篩區(qū)域?yàn)槎嗫捉橘|(zhì)。

三、模擬計(jì)算及結(jié)果分析

由于吸附器工作時(shí)具有兩種工況 （吸附過(guò)程和再生過(guò)程），故針對(duì)不同的工況進(jìn)行數(shù)值模擬。

3.1、吸附過(guò)程

吸附過(guò)程是個(gè)典型的π型向心流動(dòng)，由于分流道內(nèi)進(jìn)口流體不斷分流，引起靜壓不斷回升，而合流道內(nèi)則由于不斷加入的流體使流速加大，引起靜壓不斷下降，造成填充層兩側(cè)的壓差沿軸向逐漸加大，以至于徑向流速不均勻。雖然可以采用加大填充層兩側(cè)壓差絕對(duì)值的辦法，改善徑向速度不均勻性，但這增加了阻力。本文中的吸附器設(shè)計(jì)通過(guò)在合流通道中增加分布錐，改變圓柱容器合流流道的流通截面積，使流道內(nèi)靜壓朝著有利于徑向流速均勻分布方向變化。

空氣在多孔介質(zhì)中流動(dòng)跡線如圖1所示，圖2顯示了在錐體分布器的影響下，兩個(gè)截面x2+y2=1.752和x2+y2=0.622,即空氣進(jìn)入和離開(kāi)多孔介質(zhì)時(shí)的徑向速度沿吸附器軸向分布。從圖中可看出，在z=8～10m區(qū)域，其徑向速度偏大，較易造成吸附床層穿透。

分子篩床層的氣速分布性能通過(guò)氣速分布不均勻度S進(jìn)行考慮，其表達(dá)式為：

計(jì)算得截面x2+y2=0.622開(kāi)孔區(qū)域的均勻度S=94%，x2+y2=1.752開(kāi)孔區(qū)域的均勻度S=98%。吸附過(guò)程氣流分布基本均勻，能滿足空分設(shè)備對(duì)吸附器的要求。

3.2、再生過(guò)程

使用fluent軟件里的非穩(wěn)態(tài)模型進(jìn)行求解，加入能量方程。設(shè)污氮入口溫度為450K，加熱前吸附器內(nèi)初始溫度為273K，加熱時(shí)間為4200s。其他設(shè)置條件同吸附過(guò)程。為簡(jiǎn)化計(jì)算，再生加熱過(guò)程中沒(méi)考慮分子篩的吸附反應(yīng)。

從圖3中可看出，再生加熱過(guò)程中，吸附器內(nèi)的溫度分布情況。集流流道因和氣體直接接觸，溫度最高，然后溫度由里向外進(jìn)行傳遞。由于氣體的入口速度和重力的作用下，流體在吸附器內(nèi)朝出口方向流動(dòng)。吸附器的上半部分溫度不易得到提升，容易因再生不徹底，形成吸附死區(qū)，影響下次吸附過(guò)程。

從圖3中可看出吸附器內(nèi)截面x2+y2=0.622的溫度是中間高，兩邊底。Z＞10m以上區(qū)域吸附器溫度明顯偏低。可見(jiàn)，在吸附器的再生過(guò)程設(shè)計(jì)中，不僅要考慮徑向速度沿軸向的分布均勻，還要考慮氣流溫度分布，以盡可能少的能源消耗達(dá)到使吸附器內(nèi)分子篩均能完全再生。

吸附器再生過(guò)程中氣體在多孔介質(zhì)中流動(dòng)跡線如圖4所示。集流流道中氣體在區(qū)域1中形成渦流，使氣體向上流動(dòng)。但由于中心管與集流流道中的面積偏小，氣體未能完全分布均勻，使氣流很難向上流動(dòng)?？赏ㄟ^(guò)在吸附器頂上安裝呼吸閥，使分子篩在再生過(guò)程中，將吸附器上半部分分子篩得到完全再生，從而避免這區(qū)域可能造成的二氧化碳含量超標(biāo)。

四、結(jié)論

徑向流吸附器在設(shè)計(jì)中不僅要考慮吸附過(guò)程中氣流分布的均勻性，使分子篩吸附劑得到充分的發(fā)揮。以盡可能小的分子篩裝填量達(dá)到吸附CO2的目的。還要考慮再生過(guò)程中，污氮在吸附器內(nèi)的分布。使吸附器內(nèi)的所有分子篩再生完整，避免在吸附器頂部形成死區(qū)。

[1]楊學(xué)昆.立式雙層床徑向流吸附器 [J]，深冷技術(shù)，1999（2）：16-19.

[2]黃發(fā)瑞，吳民權(quán)，杜貧等.具有變截面流道的圓柱容器內(nèi)流經(jīng)環(huán)形填充層流動(dòng)的研究[J]，水動(dòng)力學(xué)研究與進(jìn)展，1993（1）：107-114.

[3]江帆，黃鵬.fluent高級(jí)應(yīng)用與實(shí)例分析，清華大學(xué)出版社，2008.