不同流速下徑向流吸附器流場分析

褚麗雅，王劍峰，孟慶烜，蘇建龍

（開封空分集團有限公司設計研究院，河南開封 475000）

不同流速下徑向流吸附器流場分析

褚麗雅，王劍峰，孟慶烜，蘇建龍

（開封空分集團有限公司設計研究院，河南開封 475000）

主要介紹了徑向流吸附器的設備結構和工作原理，并且在此基礎上建立簡單的模型，采用FLUENT軟件對不同入口流速下徑向流吸附器流場進行了模擬計算，得出了不同流速下徑向流吸附器內流場氣體流場和流動速度分布，并對此進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位置就會越早出現，并預測對于不同處理氣量的吸附器都會存在一個最佳的入口流速。

吸附器；徑向流；不同流速；模擬計算；Fluent

20世紀50年代，國外的小型空分設備已采用分子篩清除空氣中的水分和二氧化碳。70年代，我國的中壓小型制氧機就已普及了分子篩純化器。從第四代空分系統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普遍推廣。分子篩純化器能夠同時凈除空氣中的水分、二氧化碳、乙炔及其他碳氫化合物，它的應用使空分流程發生了重大的變革，全低壓分子篩流程，操作簡便、流程簡化。產品提取率高、運轉周期長、運行安全可靠、裝置投資少，現代中、大型空分裝置幾乎全部采用分子篩純化技術［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展到臥式。立式分子篩吸附器一般應用在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：占地面積大，氣流分布的均勻性不佳，容易出現局部穿透，出口的水和二氧化碳超標。尤其是在60000等級以上空分，設備的直徑超出運輸上限，增加了運輸困難和成本。這些都限制了臥式分子篩吸附器在大型空分中的發展和應用。

而立式徑向流分子篩吸附器在大型空分設備（＞60 000 m3/h）上應用，具有諸多優勢：1.占地面積小，僅為同等級臥式結構的25%；2.節能，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.能防止床層流態化現象；4.適應性強，處理量增加可以增加高度而不用增加筒體直徑，方便運輸。因此在空分裝置朝著超大型發展的趨勢下，立式徑向流吸附器將會受到越來越多的關注［1］。

本文主要是建立一個簡單的立式徑向流吸附器模型，在此基礎上應用FLUENT軟件對不同進口流速下流體在吸附器中的流場情況進行模擬和分析，并對結果進行分析，得出一些結論。

1 設備結構及工作原理

立式徑向流分子篩吸附器內設內分布筒、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，而在內分布筒中填裝13X分子篩。

圖1 立式徑向流吸附器結構示意圖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間段中，經過預冷的空氣從空氣進口管進入徑向流分子篩吸附器，經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、二氧化碳和碳氫化合物等雜質被吸附層吸附。除去雜質后的干凈空氣流體經過中心集氣管從空氣出口管送出［1-2］。在空分流程中，布置兩臺徑向流吸附器，一臺吸附工作，一臺再生。從吸附開始到再生完成的整個過程是在DCS自動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 模擬計算

2.1 模擬軟件介紹

FLUENT是世界領先、應用廣泛的CFD軟件，用于計算流體流動和傳熱問題。FLUENT軟件是基于CFD軟件群的思想，從用戶需求的角度出發，針對各種復雜流動的物理現象，采用不同的離散格式和數值方法，使得特定領域內的計算速度、穩定性和精度等達到最佳組合，從而高效率地解決各個領域的復雜流動計算問題。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，對得出結果進行數據分析和可視化處理［3-4］。

2.2 模型建立及網格劃分

從吸附器的示意圖（圖1）中可以看出設備是軸對稱結構，因此為了降低對計算機硬件配置和計算分析簡單的要求，對所建立的模型進行簡化處理，并選擇軸對稱模型如圖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 模型部分網格Fig.3 Parts of themodel grid

網格劃分采用的是二維四邊形網格，部分網格如圖3所示。

2.3 邊界條件及求解

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

2.4 模擬結果及分析

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

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

從圖4中看出，在多孔介質層，即活性氧化鋁層和分子篩層，所產生的速度降最大，說明在該區域所產生的壓力降在整個吸附器的壓力降中占有很大比重（如圖5），兩個床層的壓力降達到了3.8 kPa。這和立式吸附器以及臥式吸附器的特點是非常相似的，從而驗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的壓力場Fig.5 The pressure filed under 10m/s inlet velocity

另外從吸附器內的速度場（圖6）中我們還看到，在吸附器入口分流區域，即方框區域產生了渦流，造成了能量的損失。這是由于氣體進入吸附器后分布效果不好造成的，說明此種分布器結構并不是很理想，在后續的優化設計中應加以修正。

并且在此速度場中看到，多孔介質區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，而對于外筒區域和中心集氣筒，可以很明顯的看出氣流速度在軸向方向有很大的變化：對于外筒區域，氣流速度沿著軸向方向在依次降低；而對于中心集氣筒來說，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入多孔介質層時，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的速度場Fig.6 The velocity filed under 10m/s inlet velocity

根據氣流的最短路徑流動原理，氣體在進入到外筒區域后會非常快的進入到集氣筒中去，因此會造成氣體速度在外筒區域沿著軸向遞減的現象，而中心集氣筒就恰恰相反，由于沿著軸向氣量會越來越多，因此氣流的速度是呈遞增現象的。因此，可根據此結論對分布筒的開孔大小及密度進行修正，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速度場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，在吸附器內都會出現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。根據文獻［2］所提出的吸附飽和臨界曲線突破點理論，在此模擬結果中也被發現。并且在不同的入口流速下，我們還發現吸附器的臨界突破點會有所變化，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速度（即分子篩吸附器的吸附飽和臨界曲線突破點位置）就會越遠離吸附器的頂部，說明入口速度越大吸附器的臨界點位置就會越早出現。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，則吸附器的工作周期就會縮短，切換頻率就會增加，影響工作性能。這也從另一方面證實了通過分子篩床層的氣流流速越高，吸附效果越不好，吸附劑的動吸附容量越小。

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

3 結 論

通過對徑向流分子篩吸附器流場的數值模擬研究，對其流場壓力分布和速度分布有了一定的了解，為進一步的研究工作提供了一定的參考。對結果分析和總結后得到如下結論：

1.入口的分布器還要加以改進，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，所產生的氣體渦流就會越大，能量損失越大，因此分布器的優化設計至關重要。

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

3.對于不同尺寸的吸附器來說，都存在最佳的入口速度，讓臨界點出現在最合適的位置可以被控制，讓操作更具有依據性。

［1］李化冶.制氧技術［M］.2版.北京：冶金工業出版社，2009.

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

［3］韓占忠，王敬，蘭小平.Fluent流體工程仿真計算實例與應用［M］.北京：北京理工大學出版社，2004.

［4］王瑞金，張凱，王剛.Fluent技術基礎與應用實例［M］.北京：清華大學出版社，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年畢業于遼寧工學院過程裝備與控制工程專業，現在開封空分集團設計研究院從事流程設備工作。

2014-02-25；

2014-06-01