不同流速下径向流吸附器流场分析

褚丽雅，王剑峰，孟庆烜，苏建龙

（开封空分集团有限公司设计研究院，河南开封 475000）

不同流速下径向流吸附器流场分析

褚丽雅，王剑峰，孟庆烜，苏建龙

（开封空分集团有限公司设计研究院，河南开封 475000）

主要介绍了径向流吸附器的设备结构和工作原理，并且在此基础上建立简单的模型，采用FLUENT软件对不同入口流速下径向流吸附器流场进行了模拟计算，得出了不同流速下径向流吸附器内流场气体流场和流动速度分布，并对此进行了比较和分析得出了入口速度越大，吸附器的饱和临界曲线突破点位置就会越早出现，并预测对于不同处理气量的吸附器都会存在一个最佳的入口流速。

吸附器；径向流；不同流速；模拟计算；Fluent

20世纪50年代，国外的小型空分设备已采用分子筛清除空气中的水分和二氧化碳。70年代，我国的中压小型制氧机就已普及了分子筛纯化器。从第四代空分系统使用常温分子筛吸附器开始，常温分子筛净化空气已成为空气主要的净化方式。目前分子筛纯化器已在大型全低压制氧机普遍推广。分子筛纯化器能够同时净除空气中的水分、二氧化碳、乙炔及其他碳氢化合物，它的应用使空分流程发生了重大的变革，全低压分子筛流程，操作简便、流程简化。产品提取率高、运转周期长、运行安全可靠、装置投资少，现代中、大型空分装置几乎全部采用分子筛纯化技术［1］。

随着空分装置制氧量的增加，分子筛吸附器的型式也从立式发展到卧式。立式分子筛吸附器一般应用在10 000 Nm3/h的中小型空分，而采用卧式是为了提高分子筛吸附器处理气量的能力。但是卧式分子筛吸附器具有明显的缺点：占地面积大，气流分布的均匀性不佳，容易出现局部穿透，出口的水和二氧化碳超标。尤其是在60000等级以上空分，设备的直径超出运输上限，增加了运输困难和成本。这些都限制了卧式分子筛吸附器在大型空分中的发展和应用。

而立式径向流分子筛吸附器在大型空分设备（＞60 000 m3/h）上应用，具有诸多优势：1.占地面积小，仅为同等级卧式结构的25%；2.节能，径向流分子筛床层薄，阻力小，与卧式相比其阻力下降了50%；3.能防止床层流态化现象；4.适应性强，处理量增加可以增加高度而不用增加筒体直径，方便运输。因此在空分装置朝着超大型发展的趋势下，立式径向流吸附器将会受到越来越多的关注［1］。

本文主要是建立一个简单的立式径向流吸附器模型，在此基础上应用FLUENT软件对不同进口流速下流体在吸附器中的流场情况进行模拟和分析，并对结果进行分析，得出一些结论。

1 设备结构及工作原理

立式径向流分子筛吸附器内设内分布筒、外分布筒和中心集气管，如图1［1］所示。在外分布筒中填装铝胶，而在内分布筒中填装13X分子筛。

图1 立式径向流吸附器结构示意图Fig.1 Sketch of structure for radial flow molecular sieve adsorber

在径向流分子筛吸附器吸附工作时间段中，经过预冷的空气从空气进口管进入径向流分子筛吸附器，经过外筒及外分布筒组成的分流流道缓冲减速后，空气流体进入活性氧化铝和分子筛吸附层，空气中夹带的水分、二氧化碳和碳氢化合物等杂质被吸附层吸附。除去杂质后的干净空气流体经过中心集气管从空气出口管送出［1-2］。在空分流程中，布置两台径向流吸附器，一台吸附工作，一台再生。从吸附开始到再生完成的整个过程是在DCS自动控制切换阀门来完成的。而径向流分子筛吸附器的再生过程通过四步来完成的：泄压，加热再生，冷吹，均压。

2 模拟计算

2.1 模拟软件介绍

FLUENT是世界领先、应用广泛的CFD软件，用于计算流体流动和传热问题。FLUENT软件是基于CFD软件群的思想，从用户需求的角度出发，针对各种复杂流动的物理现象，采用不同的离散格式和数值方法，使得特定领域内的计算速度、稳定性和精度等达到最佳组合，从而高效率地解决各个领域的复杂流动计算问题。软件包括前处理器，求解器和后处理器三部分，本文使用前处理器为GAMBIT 2.4，求解器为Fluent6.3，后处理器为Tec plot，对得出结果进行数据分析和可视化处理［3-4］。

2.2 模型建立及网格划分

从吸附器的示意图（图1）中可以看出设备是轴对称结构，因此为了降低对计算机硬件配置和计算分析简单的要求，对所建立的模型进行简化处理，并选择轴对称模型如图2。

图2 径向流分子筛吸附器模型示意图Fig.2 Sketch ofmodle for radial flow molecular sieve adsorber

图3 模型部分网格Fig.3 Parts of themodel grid

网格划分采用的是二维四边形网格，部分网格如图3所示。

2.3 边界条件及求解

边界条件设置选择速度入口、自由出流，选择轴对称模型的中心轴，设置活性氧化铝和分子筛区域按多孔介质处理，求解模型采用Simple算法的非耦合型求解器。

2.4 模拟结果及分析

在此模拟过程中，共选取了四组速度入口：5、8、10、15 m/s。为了对模型的正确性进行验证，先对入口速度为10 m/s的吸附器进行了模拟分析。在10 m/s的入口速度下所得到的吸附器内的流场，如图4所示。

图4 在Vin=10 m/s入口速度下吸附器内的流场Fig.4 The flow filed under 10m/s inlet velocity

从图4中看出，在多孔介质层，即活性氧化铝层和分子筛层，所产生的速度降最大，说明在该区域所产生的压力降在整个吸附器的压力降中占有很大比重（如图5），两个床层的压力降达到了3.8 kPa。这和立式吸附器以及卧式吸附器的特点是非常相似的，从而验证了本文所建立的模型是正确的。

图5 在Vin=10 m/s入口速度下吸附器内的压力场Fig.5 The pressure filed under 10m/s inlet velocity

另外从吸附器内的速度场（图6）中我们还看到，在吸附器入口分流区域，即方框区域产生了涡流，造成了能量的损失。这是由于气体进入吸附器后分布效果不好造成的，说明此种分布器结构并不是很理想，在后续的优化设计中应加以修正。

并且在此速度场中看到，多孔介质区域的速度分布非常均匀，不论是沿着轴向方向还是沿着径向方向都没有太大的变化，而对于外筒区域和中心集气筒，可以很明显的看出气流速度在轴向方向有很大的变化：对于外筒区域，气流速度沿着轴向方向在依次降低；而对于中心集气筒来说，则是刚好相反，从吸附器底部到出口处是依次增大。这就意味着在气流进入多孔介质层时，活性氧化铝和分子筛吸附剂表面层起到了分布器的作用，对气流形成再次均布的作用。

图6 在Vin=10 m/s入口速度下吸附器内的速度场Fig.6 The velocity filed under 10m/s inlet velocity

根据气流的最短路径流动原理，气体在进入到外筒区域后会非常快的进入到集气筒中去，因此会造成气体速度在外筒区域沿着轴向递减的现象，而中心集气筒就恰恰相反，由于沿着轴向气量会越来越多，因此气流的速度是呈递增现象的。因此，可根据此结论对分布筒的开孔大小及密度进行修正，以保证气流在轴向方向均匀分布。

图7 不同速度入口下吸附器内速度场Fig.7 The velocity filed under different inlet velocity

从图7中可以很明显的看出，不论是低于10 m/s的入口速度还是高于10 m/s的入口速度，在吸附器内都会出现10 m/s的入口速度下的一些特性，这就表明以上所说的是吸附器的一些共性。根据文献［2］所提出的吸附饱和临界曲线突破点理论，在此模拟结果中也被发现。并且在不同的入口流速下，我们还发现吸附器的临界突破点会有所变化，并不是固定不变。从图7中可以看出，随着入口速度的增加，入口速度越大，则氧化铝和分子筛层的气流最大径向流动速度（即分子筛吸附器的吸附饱和临界曲线突破点位置）就会越远离吸附器的顶部，说明入口速度越大吸附器的临界点位置就会越早出现。这是影响吸附器吸附效率的最重要因素，如果吸附饱和越早出现，则吸附器的工作周期就会缩短，切换频率就会增加，影响工作性能。这也从另一方面证实了通过分子筛床层的气流流速越高，吸附效果越不好，吸附剂的动吸附容量越小。

因此对于不同处理气量的吸附器来说，都会存在一个最佳入口速度，让饱和临界曲线突破点位置出现在合适的位置，即让吸附器的工作效率达到最好，这将会作为下步的研究工作。

3 结 论

通过对径向流分子筛吸附器流场的数值模拟研究，对其流场压力分布和速度分布有了一定的了解，为进一步的研究工作提供了一定的参考。对结果分析和总结后得到如下结论：

1.入口的分布器还要加以改进，以减少气体能量的损失。并且可以明显的看出在此处速度越大，所产生的气体涡流就会越大，能量损失越大，因此分布器的优化设计至关重要。

2.速度越大，则氧化铝和分子筛床层的气流最大径向流动速度（即分子筛吸附器的吸附饱和临界曲线突破点位置）就会越远离吸附器的顶部，说明入口速度越大吸附器的临界点位置就会越早出现。说明吸附器的工作时间就会减少，切换频率加快，操作不便。

3.对于不同尺寸的吸附器来说，都存在最佳的入口速度，让临界点出现在最合适的位置可以被控制，让操作更具有依据性。

［1］李化冶.制氧技术［M］.2版.北京：冶金工业出版社，2009.

［2］李剑锋，周寒秋，林秀娜.径向流分子筛吸附器流场数值模拟［J］.气体纯化技术，2010（2）：49-52.

［3］韩占忠，王敬，兰小平.Fluent流体工程仿真计算实例与应用［M］.北京：北京理工大学出版社，2004.

［4］王瑞金，张凯，王刚.Fluent技术基础与应用实例［M］.北京：清华大学出版社，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

褚丽雅（1979），女，工程师。2003年毕业于辽宁工学院过程装备与控制工程专业，现在开封空分集团设计研究院从事流程设备工作。

2014-02-25；

2014-06-01