不同流速下徑向流吸附器流場(chǎng)分析

褚麗雅，王劍峰，孟慶烜，蘇建龍

（開封空分集團(tuán)有限公司設(shè)計(jì)研究院，河南開封 475000）

不同流速下徑向流吸附器流場(chǎng)分析

褚麗雅，王劍峰，孟慶烜，蘇建龍

（開封空分集團(tuán)有限公司設(shè)計(jì)研究院，河南開封 475000）

主要介紹了徑向流吸附器的設(shè)備結(jié)構(gòu)和工作原理，并且在此基礎(chǔ)上建立簡(jiǎn)單的模型，采用FLUENT軟件對(duì)不同入口流速下徑向流吸附器流場(chǎng)進(jìn)行了模擬計(jì)算，得出了不同流速下徑向流吸附器內(nèi)流場(chǎng)氣體流場(chǎng)和流動(dòng)速度分布，并對(duì)此進(jìn)行了比較和分析得出了入口速度越大，吸附器的飽和臨界曲線突破點(diǎn)位置就會(huì)越早出現(xiàn)，并預(yù)測(cè)對(duì)于不同處理氣量的吸附器都會(huì)存在一個(gè)最佳的入口流速。

吸附器；徑向流；不同流速；模擬計(jì)算；Fluent

20世紀(jì)50年代，國(guó)外的小型空分設(shè)備已采用分子篩清除空氣中的水分和二氧化碳。70年代，我國(guó)的中壓小型制氧機(jī)就已普及了分子篩純化器。從第四代空分系統(tǒng)使用常溫分子篩吸附器開始，常溫分子篩凈化空氣已成為空氣主要的凈化方式。目前分子篩純化器已在大型全低壓制氧機(jī)普遍推廣。分子篩純化器能夠同時(shí)凈除空氣中的水分、二氧化碳、乙炔及其他碳?xì)浠衔?，它的?yīng)用使空分流程發(fā)生了重大的變革，全低壓分子篩流程，操作簡(jiǎn)便、流程簡(jiǎn)化。產(chǎn)品提取率高、運(yùn)轉(zhuǎn)周期長(zhǎng)、運(yùn)行安全可靠、裝置投資少，現(xiàn)代中、大型空分裝置幾乎全部采用分子篩純化技術(shù)［1］。

隨著空分裝置制氧量的增加，分子篩吸附器的型式也從立式發(fā)展到臥式。立式分子篩吸附器一般應(yīng)用在10 000 Nm3/h的中小型空分，而采用臥式是為了提高分子篩吸附器處理氣量的能力。但是臥式分子篩吸附器具有明顯的缺點(diǎn)：占地面積大，氣流分布的均勻性不佳，容易出現(xiàn)局部穿透，出口的水和二氧化碳超標(biāo)。尤其是在60000等級(jí)以上空分，設(shè)備的直徑超出運(yùn)輸上限，增加了運(yùn)輸困難和成本。這些都限制了臥式分子篩吸附器在大型空分中的發(fā)展和應(yīng)用。

而立式徑向流分子篩吸附器在大型空分設(shè)備（＞60 000 m3/h）上應(yīng)用，具有諸多優(yōu)勢(shì)：1.占地面積小，僅為同等級(jí)臥式結(jié)構(gòu)的25%；2.節(jié)能，徑向流分子篩床層薄，阻力小，與臥式相比其阻力下降了50%；3.能防止床層流態(tài)化現(xiàn)象；4.適應(yīng)性強(qiáng)，處理量增加可以增加高度而不用增加筒體直徑，方便運(yùn)輸。因此在空分裝置朝著超大型發(fā)展的趨勢(shì)下，立式徑向流吸附器將會(huì)受到越來越多的關(guān)注［1］。

本文主要是建立一個(gè)簡(jiǎn)單的立式徑向流吸附器模型，在此基礎(chǔ)上應(yīng)用FLUENT軟件對(duì)不同進(jìn)口流速下流體在吸附器中的流場(chǎng)情況進(jìn)行模擬和分析，并對(duì)結(jié)果進(jìn)行分析，得出一些結(jié)論。

1 設(shè)備結(jié)構(gòu)及工作原理

立式徑向流分子篩吸附器內(nèi)設(shè)內(nèi)分布筒、外分布筒和中心集氣管，如圖1［1］所示。在外分布筒中填裝鋁膠，而在內(nèi)分布筒中填裝13X分子篩。

圖1 立式徑向流吸附器結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Sketch of structure for radial flow molecular sieve adsorber

在徑向流分子篩吸附器吸附工作時(shí)間段中，經(jīng)過預(yù)冷的空氣從空氣進(jìn)口管進(jìn)入徑向流分子篩吸附器，經(jīng)過外筒及外分布筒組成的分流流道緩沖減速后，空氣流體進(jìn)入活性氧化鋁和分子篩吸附層，空氣中夾帶的水分、二氧化碳和碳?xì)浠衔锏入s質(zhì)被吸附層吸附。除去雜質(zhì)后的干凈空氣流體經(jīng)過中心集氣管從空氣出口管送出［1-2］。在空分流程中，布置兩臺(tái)徑向流吸附器，一臺(tái)吸附工作，一臺(tái)再生。從吸附開始到再生完成的整個(gè)過程是在DCS自動(dòng)控制切換閥門來完成的。而徑向流分子篩吸附器的再生過程通過四步來完成的：泄壓，加熱再生，冷吹，均壓。

2 模擬計(jì)算

2.1 模擬軟件介紹

FLUENT是世界領(lǐng)先、應(yīng)用廣泛的CFD軟件，用于計(jì)算流體流動(dòng)和傳熱問題。FLUENT軟件是基于CFD軟件群的思想，從用戶需求的角度出發(fā)，針對(duì)各種復(fù)雜流動(dòng)的物理現(xiàn)象，采用不同的離散格式和數(shù)值方法，使得特定領(lǐng)域內(nèi)的計(jì)算速度、穩(wěn)定性和精度等達(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)算問題。軟件包括前處理器，求解器和后處理器三部分，本文使用前處理器為GAMBIT 2.4，求解器為Fluent6.3，后處理器為Tec plot，對(duì)得出結(jié)果進(jìn)行數(shù)據(jù)分析和可視化處理［3-4］。

2.2 模型建立及網(wǎng)格劃分

從吸附器的示意圖（圖1）中可以看出設(shè)備是軸對(duì)稱結(jié)構(gòu)，因此為了降低對(duì)計(jì)算機(jī)硬件配置和計(jì)算分析簡(jiǎn)單的要求，對(duì)所建立的模型進(jìn)行簡(jiǎn)化處理，并選擇軸對(duì)稱模型如圖2。

圖2 徑向流分子篩吸附器模型示意圖Fig.2 Sketch ofmodle for radial flow molecular sieve adsorber

圖3 模型部分網(wǎng)格Fig.3 Parts of themodel grid

網(wǎng)格劃分采用的是二維四邊形網(wǎng)格，部分網(wǎng)格如圖3所示。

2.3 邊界條件及求解

邊界條件設(shè)置選擇速度入口、自由出流，選擇軸對(duì)稱模型的中心軸，設(shè)置活性氧化鋁和分子篩區(qū)域按多孔介質(zhì)處理，求解模型采用Simple算法的非耦合型求解器。

2.4 模擬結(jié)果及分析

在此模擬過程中，共選取了四組速度入口：5、8、10、15 m/s。為了對(duì)模型的正確性進(jìn)行驗(yàn)證，先對(duì)入口速度為10 m/s的吸附器進(jìn)行了模擬分析。在10 m/s的入口速度下所得到的吸附器內(nèi)的流場(chǎng)，如圖4所示。

圖4 在Vin=10 m/s入口速度下吸附器內(nèi)的流場(chǎng)Fig.4 The flow filed under 10m/s inlet velocity

從圖4中看出，在多孔介質(zhì)層，即活性氧化鋁層和分子篩層，所產(chǎn)生的速度降最大，說明在該區(qū)域所產(chǎn)生的壓力降在整個(gè)吸附器的壓力降中占有很大比重（如圖5），兩個(gè)床層的壓力降達(dá)到了3.8 kPa。這和立式吸附器以及臥式吸附器的特點(diǎn)是非常相似的，從而驗(yàn)證了本文所建立的模型是正確的。

圖5 在Vin=10 m/s入口速度下吸附器內(nèi)的壓力場(chǎng)Fig.5 The pressure filed under 10m/s inlet velocity

另外從吸附器內(nèi)的速度場(chǎng)（圖6）中我們還看到，在吸附器入口分流區(qū)域，即方框區(qū)域產(chǎn)生了渦流，造成了能量的損失。這是由于氣體進(jìn)入吸附器后分布效果不好造成的，說明此種分布器結(jié)構(gòu)并不是很理想，在后續(xù)的優(yōu)化設(shè)計(jì)中應(yīng)加以修正。

并且在此速度場(chǎng)中看到，多孔介質(zhì)區(qū)域的速度分布非常均勻，不論是沿著軸向方向還是沿著徑向方向都沒有太大的變化，而對(duì)于外筒區(qū)域和中心集氣筒，可以很明顯的看出氣流速度在軸向方向有很大的變化：對(duì)于外筒區(qū)域，氣流速度沿著軸向方向在依次降低；而對(duì)于中心集氣筒來說，則是剛好相反，從吸附器底部到出口處是依次增大。這就意味著在氣流進(jìn)入多孔介質(zhì)層時(shí)，活性氧化鋁和分子篩吸附劑表面層起到了分布器的作用，對(duì)氣流形成再次均布的作用。

圖6 在Vin=10 m/s入口速度下吸附器內(nèi)的速度場(chǎng)Fig.6 The velocity filed under 10m/s inlet velocity

根據(jù)氣流的最短路徑流動(dòng)原理，氣體在進(jìn)入到外筒區(qū)域后會(huì)非?？斓倪M(jìn)入到集氣筒中去，因此會(huì)造成氣體速度在外筒區(qū)域沿著軸向遞減的現(xiàn)象，而中心集氣筒就恰恰相反，由于沿著軸向氣量會(huì)越來越多，因此氣流的速度是呈遞增現(xiàn)象的。因此，可根據(jù)此結(jié)論對(duì)分布筒的開孔大小及密度進(jìn)行修正，以保證氣流在軸向方向均勻分布。

圖7 不同速度入口下吸附器內(nèi)速度場(chǎng)Fig.7 The velocity filed under different inlet velocity

從圖7中可以很明顯的看出，不論是低于10 m/s的入口速度還是高于10 m/s的入口速度，在吸附器內(nèi)都會(huì)出現(xiàn)10 m/s的入口速度下的一些特性，這就表明以上所說的是吸附器的一些共性。根據(jù)文獻(xiàn)［2］所提出的吸附飽和臨界曲線突破點(diǎn)理論，在此模擬結(jié)果中也被發(fā)現(xiàn)。并且在不同的入口流速下，我們還發(fā)現(xiàn)吸附器的臨界突破點(diǎn)會(huì)有所變化，并不是固定不變。從圖7中可以看出，隨著入口速度的增加，入口速度越大，則氧化鋁和分子篩層的氣流最大徑向流動(dòng)速度（即分子篩吸附器的吸附飽和臨界曲線突破點(diǎn)位置）就會(huì)越遠(yuǎn)離吸附器的頂部，說明入口速度越大吸附器的臨界點(diǎn)位置就會(huì)越早出現(xiàn)。這是影響吸附器吸附效率的最重要因素，如果吸附飽和越早出現(xiàn)，則吸附器的工作周期就會(huì)縮短，切換頻率就會(huì)增加，影響工作性能。這也從另一方面證實(shí)了通過分子篩床層的氣流流速越高，吸附效果越不好，吸附劑的動(dòng)吸附容量越小。

因此對(duì)于不同處理氣量的吸附器來說，都會(huì)存在一個(gè)最佳入口速度，讓飽和臨界曲線突破點(diǎn)位置出現(xiàn)在合適的位置，即讓吸附器的工作效率達(dá)到最好，這將會(huì)作為下步的研究工作。

3 結(jié) 論

通過對(duì)徑向流分子篩吸附器流場(chǎng)的數(shù)值模擬研究，對(duì)其流場(chǎng)壓力分布和速度分布有了一定的了解，為進(jìn)一步的研究工作提供了一定的參考。對(duì)結(jié)果分析和總結(jié)后得到如下結(jié)論：

1.入口的分布器還要加以改進(jìn)，以減少氣體能量的損失。并且可以明顯的看出在此處速度越大，所產(chǎn)生的氣體渦流就會(huì)越大，能量損失越大，因此分布器的優(yōu)化設(shè)計(jì)至關(guān)重要。

2.速度越大，則氧化鋁和分子篩床層的氣流最大徑向流動(dòng)速度（即分子篩吸附器的吸附飽和臨界曲線突破點(diǎn)位置）就會(huì)越遠(yuǎn)離吸附器的頂部，說明入口速度越大吸附器的臨界點(diǎn)位置就會(huì)越早出現(xiàn)。說明吸附器的工作時(shí)間就會(huì)減少，切換頻率加快，操作不便。

3.對(duì)于不同尺寸的吸附器來說，都存在最佳的入口速度，讓臨界點(diǎn)出現(xiàn)在最合適的位置可以被控制，讓操作更具有依據(jù)性。

［1］李化冶.制氧技術(shù)［M］.2版.北京：冶金工業(yè)出版社，2009.

［2］李劍鋒，周寒秋，林秀娜.徑向流分子篩吸附器流場(chǎng)數(shù)值模擬［J］.氣體純化技術(shù)，2010（2）：49-52.

［3］韓占忠，王敬，蘭小平.Fluent流體工程仿真計(jì)算實(shí)例與應(yīng)用［M］.北京：北京理工大學(xué)出版社，2004.

［4］王瑞金，張凱，王剛.Fluent技術(shù)基礎(chǔ)與應(yīng)用實(shí)例［M］.北京：清華大學(xué)出版社，2007.

Analysis of Flow Filed of Radial Flow M olecular Sieve Adsorber Under Different Flow Rates

CHU Liya，WANG Jianfeng，MENG Qingxuan，SU Jianlong
（R&D Institute of Kaifeng Air Separation Group Co.，Ltd.，Kaifeng 475000，China）

Themain structure and the operational principle of radial flow molecular sieve adsorber aremainly introduced. The simplemodel is established，and the analysis of flow filed of radial flow molecular sieve adsorber under different flow rates ismadewith FLUENT software.The results show that it displays different flow filed and velocity distribution in adsorber under different inlet velocity.With the analysis and comparison of the results，it shows that the faster the inlet velocity is，the earlier the position of break through pointwould appear.And it suggests that there is a best inlet velocity by different processing capacity adsorber.

adsorber；radial flow；different velocity；simulation；Fluent

TB662

A

1007-7804（2014）03-0017-04

10.3969/j.issn.1007-7804.2014.03.005

褚麗雅（1979），女，工程師。2003年畢業(yè)于遼寧工學(xué)院過程裝備與控制工程專業(yè)，現(xiàn)在開封空分集團(tuán)設(shè)計(jì)研究院從事流程設(shè)備工作。

2014-02-25；

2014-06-01