fluent軟件在徑向吸附器流場模擬的應用

繆樟臻 潘明 (中國空分設備有限公司)

前言

隨著空分裝置向大型化發展，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，氣流沿徑向流動，氣流的流通截面是大面積的圓環面，減小氣體流動阻力。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，徑向流吸附器結構較復雜，特別是存在著流體沿軸向均布的問題。進出口氣流的軸向均勻分布直接決定純化器的吸附效果，因此對進出口的氣流分布進行研究是很必要的。本文使用fluent軟件對空氣在吸附器內的流場運動進行模擬。

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程和再生過程。在吸附過程中，空氣在其中沿軸向作向心的變質量流動；而在再生過程中，污氮在其中沿軸向做離心的變質量流動。與臥式吸附器不同，氣體在徑向流吸附器中做徑向流動。

影響徑向流吸附器氣流分布的因素有：反應器的長度、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、多孔板的開孔率、床層阻力和中心管與環管橫截面之比，而中心管與環管橫截面之比對氣流分布的影響尤為突出[2]。

立式徑向吸附器通過改變中心管道截面，引起中心管主流體速度和靜壓發生相應的變化，使徑向的靜壓保持與軸向距離無關，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節板額外增加的床層壓降，達到流體均布，使空氣通過吸附器的壓力降達到最小。

二、fluent軟件模型計算及簡化模型

Fluent是目前國際上比較流行的商用CFD(Computational Fluid Dynamics)軟件包，用來模擬從不可壓縮到高度可壓縮范圍內的復雜流動。Fluent軟件設計基于CFD軟件群的思想，從用戶需求角度出發，針對各種復雜流動的物理現象，Fluent軟件采用不同的離散格式和數值方法。以期在特定的領域內使計算速度、穩定性和精度等方面達到最佳組合，從而高效率地解決各個領域的復雜流動計算問題[3]。

根據40000Nm3/h O2空分裝置立式徑向流純化器結構選擇參數建立模型，主要考慮橫截面變化對流體分布的影響，即錐形分布器設計的合理性。簡化忽略了空氣入口時的分布和多孔板的開孔率對流體分布的影響。邊界條件設置選擇流量入口、自由出流，選擇軸對稱模型的中心軸，設置氧化鋁和分子篩區域為多孔介質。

三、模擬計算及結果分析

由于吸附器工作時具有兩種工況 （吸附過程和再生過程），故針對不同的工況進行數值模擬。

3.1、吸附過程

吸附過程是個典型的π型向心流動，由于分流道內進口流體不斷分流，引起靜壓不斷回升，而合流道內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壓差絕對值的辦法，改善徑向速度不均勻性，但這增加了阻力。本文中的吸附器設計通過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。

空氣在多孔介質中流動跡線如圖1所示，圖2顯示了在錐體分布器的影響下，兩個截面x2+y2=1.752和x2+y2=0.622,即空氣進入和離開多孔介質時的徑向速度沿吸附器軸向分布。從圖中可看出，在z=8～10m區域，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氣速分布不均勻度S進行考慮，其表達式為：

計算得截面x2+y2=0.622開孔區域的均勻度S=94%，x2+y2=1.752開孔區域的均勻度S=98%。吸附過程氣流分布基本均勻，能滿足空分設備對吸附器的要求。

3.2、再生過程

使用fluent軟件里的非穩態模型進行求解，加入能量方程。設污氮入口溫度為450K，加熱前吸附器內初始溫度為273K，加熱時間為4200s。其他設置條件同吸附過程。為簡化計算，再生加熱過程中沒考慮分子篩的吸附反應。

從圖3中可看出，再生加熱過程中，吸附器內的溫度分布情況。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，流體在吸附器內朝出口方向流動。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，影響下次吸附過程。

從圖3中可看出吸附器內截面x2+y2=0.622的溫度是中間高，兩邊底。Z＞10m以上區域吸附器溫度明顯偏低。可見，在吸附器的再生過程設計中，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到使吸附器內分子篩均能完全再生。

吸附器再生過程中氣體在多孔介質中流動跡線如圖4所示。集流流道中氣體在區域1中形成渦流，使氣體向上流動。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。可通過在吸附器頂上安裝呼吸閥，使分子篩在再生過程中，將吸附器上半部分分子篩得到完全再生，從而避免這區域可能造成的二氧化碳含量超標。

四、結論

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

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

[2]黃發瑞，吳民權，杜貧等.具有變截面流道的圓柱容器內流經環形填充層流動的研究[J]，水動力學研究與進展，1993（1）：107-114.

[3]江帆，黃鵬.fluent高級應用與實例分析，清華大學出版社，2008.