大型空分設(shè)備臥式垂直氣流分子篩吸附器內(nèi)的流場特征分析

1、大型空分設(shè)備臥式垂直氣流分子篩吸附器內(nèi)的流場特征分析胡 迪,金 滔,周智勇,湯 珂,林秀娜,顧燕新123456(1、2、4 浙江大學(xué)制冷與低溫研究所,浙江省杭州市浙大路38號 310027;3、5、6 杭州杭氧股份有限公司設(shè)計院,浙江省杭州市東新路388號 310004)摘要:為了更好地研究大型空分設(shè)備分子篩吸附器內(nèi)的流場特征,建立了以單根、2根和3根多孔管結(jié)構(gòu)為氣流分布器的60000m/h空分設(shè)備臥式垂直氣流分子篩吸附器結(jié)構(gòu)的數(shù)學(xué)模型,并采用FLUENT軟件對其內(nèi)部速度場分布進行數(shù)值分析。比較計算結(jié)果顯示,采用2根多孔管結(jié)構(gòu)的分子篩吸附器在流場分布和生產(chǎn)成本上都比其他兩種結(jié)構(gòu)更優(yōu),與2000

2、0m3/h空分設(shè)備臥式垂直氣流分子篩吸附器相比,氣流分布均勻性有所下降。關(guān)鍵詞:分子篩吸附器;臥式;垂直氣流;流場模擬中圖分類號:TB662 文獻標(biāo)識碼:B3Analysisoffeaturesofflowfieldinhorizontalverticalgasflowmolecularabsorberoflarge sizedairseparationplantHuDi,JinTao,ZhouZhiyong,TangKe,LinXiuna,GuYanxin#123456(1,2,4.InstituteofRefrigerationandCryogenics,ZhejiangUniversit

3、y,38ZhedaRoad,Hangzhou310027,Zhejiang,P.R.China;3,5,6.DesigningInstitute,HangzhouHangyangCo.,Ltd.,388#DongxinRoad,Hangzhou310004,Zhejiang,P.R.China)Abstract:Inordertowellstudythefeaturesofflowfieldofmolecularabsorberinlarge sizedairseparationplant,themathematicmodelisestablishedforhorizontalvertical

4、gasflowmolecularabsorberin60000m3/hairseparationplantwithgasflowdistributorofsingle ,2 and3 perforatedtubestructure,andtheinnerspeedfielddistributionisnumericallyanalyzedwithFLUENTsoftware.Theresultofcomparisonandcalculationshowsthatthemolecularabsorberusing2 perforatedtubeissuperiortoothertwostruct

5、uresinspeedfielddistributionandproductioncost,butitsevennessofgasflowdistributionissomewhatpoorerthatin20000m/hairseparationplanthorizontalverticalgasflowmolecularabsorber.Keywords:Molecularabsorber;Horizontal;Verticalgasflow;Simulationofflowfield3前 言空分行業(yè)通過不斷擴大空分設(shè)備的規(guī)模來滿足各行各業(yè)對氧、氮、氬等產(chǎn)品持續(xù)上升的需求,應(yīng)對日益突出的能

6、耗問題,但某些單元設(shè)備自身的局限性制約著其進一步發(fā)展1,空氣純化系統(tǒng)就是這類單元設(shè)備之一,其研究難題關(guān)鍵在于如何提高空氣處理量、降低能耗等性能指標(biāo)。目前,國內(nèi)外大型空分設(shè)備對原料空氣的凈化均采用分子篩純化收稿日期:2011 01 20系統(tǒng)2,一般由吸附器、再生加熱設(shè)備以及閥門、管路和儀電控制設(shè)備等組成。分子篩純化系統(tǒng)通過氧化鋁和分子篩吸附凈化原料空氣中的水分、二氧化碳和碳氫化合物等雜質(zhì),避免低溫管道的凍結(jié)和堵塞,確?？辗窒到y(tǒng)安全運行,具有產(chǎn)品提取量大、操作簡便、運轉(zhuǎn)周期長和使用安全、可靠等諸多優(yōu)點,是空分設(shè)備中的重要組成部分3。研究表明,分子篩純化系統(tǒng)的效能不僅受空氣溫度、濕作者簡介:胡迪,男

7、,1986年生,浙江大學(xué)制冷與低溫研究所碩士研究生,主要研究方向為氣體液化與分離技術(shù)。度、流速、壓力以及吸附劑的再生完善程度和吸附床高度等因素的影響,還很大程度上與吸附器的結(jié)構(gòu)設(shè)計有關(guān)4。隨著吸附裝置規(guī)模的擴大,容易出現(xiàn)吸附、再生效果不佳等問題,主要體現(xiàn)在氣體分布不均勻、死空間區(qū)域增大、邊流效應(yīng)、偏流現(xiàn)象和分子篩粉化等現(xiàn)象,使得分子篩吸附層提前 穿透 ,致使其性能下降,能耗增加。目前,通過優(yōu)化吸附器結(jié)構(gòu)來攻克上述難題已成為空分技術(shù)領(lǐng)域重點關(guān)注的問題之一。分子篩純化系統(tǒng)的主要設(shè)備是分子篩吸附器,其結(jié)構(gòu)按照氣流穿過床層的形式大致可分為以下3種6: 立式軸向氣流吸附器; 臥式垂直氣流吸附器; 立式徑

8、向氣流吸附器。臥式垂直氣流吸附器是目前國內(nèi)大中型空分設(shè)備所采用的主流形式,該結(jié)構(gòu)的吸附器空氣處理量較大,但是隨著其結(jié)構(gòu)尺寸的不斷增大,氣流分配不均勻、難以保持分子篩床層平整且占地面積大等缺點也越加突出7。在20000m3/h空分設(shè)備分子篩吸附器內(nèi),林秀娜提出了采用以單根多孔管作為氣流分布器代替?zhèn)鹘y(tǒng)緩沖板,使分子篩吸附器內(nèi)部流場分布得以明顯改善,主要體現(xiàn)在分子篩床層的不均勻度變小、吸附器內(nèi)偏流現(xiàn)象減弱等方面,于是分子篩純化系統(tǒng)的吸附凈化性能更佳,能耗更低8,9。相比之5下,在特大型空分設(shè)備中,例如60000m/h空分設(shè)備的分子篩吸附器,由于其流場空間更為龐大,若吸附器內(nèi)徑不變,則其長度約為200

9、00m3/h空分設(shè)備分子篩吸附器的3倍,這樣勢必會影響流場的均勻性。下面通過數(shù)值模擬,對采用單根多孔管結(jié)構(gòu)的20000m3/h和60000m3/h空分設(shè)備分子篩吸附器的流場進行比較分析,結(jié)果顯示:采用單根多孔管結(jié)構(gòu)的60000m3/h空分設(shè)備分子篩吸附器內(nèi)流場均勻性和壓降均不理想。在此基礎(chǔ)上,提出采用多根多孔管取代單根多孔管作為氣流分布器,繼而綜合分析分別采用單根、2根和3根多孔管結(jié)構(gòu)分子篩吸附器內(nèi)的流場特征。31 分子篩吸附器工況及其數(shù)學(xué)模型某套60000m/h空分設(shè)備的臥式垂直氣流分子篩吸附器,有效長度為2527m,內(nèi)徑為4 2m;上、下進出口均與多孔管相連,多孔管上布滿規(guī)則排列的小圓孔;

10、在分子篩吸附器內(nèi)水平鋪設(shè)一塊多孔板,自多孔板開始依次填裝活性氧化鋁和分子篩,填裝空隙率取0 37。單根和2根多孔管分子篩吸附器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖1所示,3根多孔管結(jié)構(gòu)仍是對稱結(jié)構(gòu),只是在原來基礎(chǔ)上添加了多孔管數(shù)目,在此不另作圖示意。3圖1 臥式多孔管分子篩吸附器結(jié)構(gòu)示意圖吸附工況時,進口氣體介質(zhì)為空氣,氣體流量為31萬m3/h,進口壓力為0 59MPa,進口溫度為17 。經(jīng)查表計算,該狀態(tài)下的空氣密度 為7 00kg/m3,動力黏度 為1 8670 10-5Pa s。因可表征流場內(nèi)氣體可壓縮性的馬赫數(shù)小于0 3,且溫度變化很小,此時空氣可視為不可壓縮流體。模型以穩(wěn)態(tài)工況來計算,下面給出流體運動所滿

11、足的控制方程組。質(zhì)量守恒方程:+=0式中:u、v、w為速度矢量沿x、y、z軸的3個速度分量。動量守恒方程:ij(uiij)=-+ gi+Si(2)xi xi xj式中: 為密度;p為壓力;gi為重力加速度; 為切應(yīng)力;u為速度;Si為依據(jù)吸附劑床層產(chǎn)生的阻力所確定的衰減源項。FLUENT軟件中將此源項定義為:Si=-(j=1(1)3Dij vj+j=13Cijvv)2magj(3)公式(3)等號右邊括號內(nèi)第一項是黏性損失項,第二項是慣性損失項;D和C是給定矩陣; 為動力黏度。簡單、均勻的多孔介質(zhì)在各個方向上的阻力都相同,此時可稱為均相多孔介質(zhì)。填裝后的分子篩可視為均相,則源項可以相應(yīng)簡化為:S

12、i=-(vi+C2 vv)(4)2magi式中: 是滲透系數(shù);C2是慣性阻力系數(shù);將D和C分別定為1/ 和C2為對角單元的對角矩陣。公式(4)等號兩邊同時乘上厚度,就可以得到公式:vi+C2 vv) n(5) 2magi式中: P為壓降; n為模型的真實厚度。FLUENT軟件中提供了多種確定滲透系數(shù)和慣性阻力系數(shù)的方法,本文模型采用Ergun公式來確定P=-(分子篩床層的滲透系數(shù)和慣性阻力系數(shù):2= v+ v2233LDpDp(6)3D2p =(7)150(1- )2C2=(8)3Dp式中:Dp是粒子平均直徑; 是分子篩空隙率。圖2多孔管簡化模型圖3 多孔板簡化模型吸附工況時,3種不同結(jié)構(gòu)多孔

13、管不同區(qū)域上的流速預(yù)計都在110m/s之間,多孔板處的氣流速度在0 16m/s左右。將速度按一定差值均勻分段后,在不同的速度工況點監(jiān)測壓降情況。根據(jù)不同速度和壓降特征,通過公式(5)可以確定滲透系數(shù) 和慣性阻力系數(shù)C2。吸附狀態(tài)下多孔管和多孔板壓降與速度關(guān)系曲線如圖4、5所示。吸附工況下,多孔管壓降與速度的擬合關(guān)系式為 P=32 04v-0 26v+0 13。由公式(5)可知, P與v的關(guān)系沒有常數(shù)項,而一次項系數(shù)0 26又非常小,考慮將上式簡化為 P=32 04v2,可計算得到C2=3038 9m-122 阻力系數(shù)的確定分子篩空隙率 取0 37,顆粒的平均直徑Dp取2mm10,由公式(7)和

14、(8)算得分子篩床層的滲透系數(shù) 為0 34 10-8m2,慣性阻力系數(shù)C2為21765 7m-1。由于多孔管和多孔板上的孔徑均很小,若按實際結(jié)構(gòu)尺寸建立模型,則會因網(wǎng)格數(shù)過多而影響計算工作量、穩(wěn)定性和收斂性等,因而宜采用簡化模型。多孔介質(zhì)模型可以將薄的面區(qū)域假設(shè)成一維 多孔跳躍 (porousjump),計算中采用經(jīng)驗公式定義多孔介質(zhì)上的流動阻力。從本質(zhì)上說,多孔介質(zhì)模型就是在動量方程中增加了一個代表動量消耗的源項,即只要對這些面區(qū)域設(shè)置阻力系數(shù)和厚度就可求得流動阻力。于是,在此將多孔管或多孔板處理成多孔介質(zhì)模型?？紤]到在實際裝置上進行測量的復(fù)雜性和操作難度,通過建立數(shù)值模型來計算其阻力系數(shù)。

15、鑒于多孔管和多孔板上孔的對稱性,可以將兩者的模型結(jié)構(gòu)進行簡化,分別如圖2、圖3所示。同時,多孔板壓降2與速度的擬合方程為 P=295 24v2+28 38v-0 13,同理被簡化為 P=295 24v+28 38v,可求得C2=2803 8m-1, =2 10-8m2。從圖4、5可以看出,擬合公式曲線與簡化公式曲線比較接近甚至重疊,說明簡化后的阻力系數(shù)值與原值誤差較小。3 模擬計算及結(jié)果分析建立采用單根多孔管作為分布器的吸附器模型,運用GAMBIT軟件進行網(wǎng)格劃分,將模型分成幾個不同區(qū)域,規(guī)則區(qū)域(如多孔管)采用六面體結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格,而其余區(qū)域均為不規(guī)則區(qū)域,采用四面體非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格處理,總網(wǎng)格數(shù)為

16、122萬個。然后,運用FLUENT軟件進行模擬計算,并運用三維定常流動、基于壓力法的求解器和隱式算圖4 多孔管壓降與速度關(guān)系曲線圖圖5 多孔板壓降與速度關(guān)系曲線圖法11。邊界條件取入口速度和出口壓力,多孔管和多孔板處理成多孔跳躍,分子篩區(qū)域設(shè)置成多孔介質(zhì)區(qū)域,其中阻力系數(shù)的計算如前所述。分子篩床層的氣速分布性能通過縱向最大速度與平均速度的比值R和氣速分布不均勻度M進行綜合考慮,其中縱向即為垂直分子篩床層方向,自下向上為正方向,其中R和M的定義式分別為:R=vmax/v0(9)S0v-vy02M=()dS(10)S00v0式中:S0為截面面積;vy是截面上各點的縱向速度;vmax為截面縱向最大速

17、度;v0為截面縱向平均速度12。在模型里建立11個平面將分子篩床層自下向上等高分成10份,分別記作P0至P10,在每個截面上求得不均勻度M和縱向最大速度與平均速度的比值R。為了考察隨著分子篩吸附器體積增大其內(nèi)部流場分布變化的情況,對同樣采用單根多孔管作為分布器的20000m3/h和60000m3/h空分設(shè)備分子篩吸附器內(nèi)的流場進行比較,其分子篩床層各平面上的運行參數(shù)見表1,其中下標(biāo)數(shù)字1代表分子篩吸附器內(nèi)氣流分布器采用單根多孔管結(jié)構(gòu)時的情況。表1 兩只不同容量分子篩吸附器吸附時各截面上的運行參數(shù)截面20000m3/h空分設(shè)備分子篩吸附器60000m3/h空分設(shè)備分子篩吸附器面積S 0/m2不均

18、勻度M 1v max 1/v 1比值R 1面積S0/m2不均勻度M1vmax 1/v1比值R1P017 00 0921 32749 740 1352 256P117 50 0191 05851 140 0311 190P219 90 0171 02052 200 0251 054P318 10 0271 02752 920 0351 041P418 30 0341 03453 320 0401 048P518 40 0361 03454 400 0431 048P618 30 0341 02153 150 0401 068P718 20 0281 02152 590 0331 101P817

19、90 0171 01351 690 0231 073P917 50 0151 05250 460 0311 284P1017 10 0961 36448 870 1031 681從表1可以看出,同樣采用單根多孔管結(jié)構(gòu)作為氣流分布器的分子篩吸附器,60000m/h空分設(shè)備分子篩吸附器內(nèi)分子篩各床層的不均勻度M和縱向最大速度與平均速度的比值R均要大于20000m/h空分設(shè)備分子篩吸附器的值,如果按各床層平均值來計算,分別大29 9%和15 6%。說明在采用相同結(jié)構(gòu)氣流分布器的情況下,分子篩各床層的均勻性要隨著分子篩吸附器體積的增大而明顯變差。究其主要原因是分子篩吸附器在內(nèi)徑不變的情況下多孔管長度將

20、越來越長,進氣口與封頭端部間的距離也越來越遠,吸附器內(nèi)的氣流越來越難被分配均勻,單根多孔管的結(jié)構(gòu)已經(jīng)不再適合60000m3/h空分設(shè)備分子篩吸附器,需要通過結(jié)P049 74M1不均勻度M2M3v1/(m/s)床層縱向平均速度v2/(m/s)v3/(m/s)vmax 1/(m/s)床層縱向最大速度vmax 2/(m/s)vmax 3/(m/s)vmax 1/v1比值R1vmax 2/v2比值R2vmax 3/v3比值R30 1350 0940 0870 1560 1580 1570 3520 2220 2212 2561 4051 408P151 140 0310 0290 0290 1530

21、1530 1530 1820 1820 1821 1901 1901 190P252 200 0250 0230 0230 1490 1500 1490 1570 1570 1561 0541 0471 047P352 920 0350 0300 0300 1470 1480 1470 1530 1530 1511 0411 0341 02733構(gòu)的調(diào)整來彌補由于體積增大帶來的不利影響。于是,研究小組提出采用多根多孔管結(jié)構(gòu)作為60000m3/h空分設(shè)備分子篩吸附器內(nèi)氣流分布器,以期改善其流場分布。分別對采用2根和3根多孔管作為分布器的吸附器建立模型,方法與前述類似,并保證這兩種結(jié)構(gòu)與單根多孔管

22、結(jié)構(gòu)具有相等的多孔管開孔面積和開孔率。在3種不同結(jié)構(gòu)的60000m/h空分設(shè)備分子篩吸附器吸附時各床層上求得面積、不均勻度M、縱向平均速度v0、縱向最大速度vmax以及縱向最大速度與平均速度的比值R,見表2,其中下標(biāo)數(shù)字1、2和3分別代表分子篩吸附器內(nèi)氣流分布器采用單根、2根和3根多孔管結(jié)構(gòu)。3表2 3種不同結(jié)構(gòu)分子篩吸附器吸附時各截面上的運行參數(shù)截面S0/m2P453 320 0400 0370 0370 1460 1470 1460 1530 1530 1511 0481 0411 034P554 400 0430 0400 0390 1460 1470 1460 1530 1530 15

23、11 0481 0411 034P653 150 0400 0380 0380 1460 1470 1470 1560 1530 1511 0681 0411 027P752 590 0330 0300 0300 1480 1490 1480 1630 1530 1521 1011 0271 027P851 690 0230 0190 0180 1510 1520 1510 1620 1610 1591 0731 0591 053P950 460 0310 0280 0270 1550 1560 1550 1990 1990 1971 2841 2771 271P1048 870 1030 1

24、000 0990 1600 1600 1590 2690 2390 2341 6811 4941 472從表2可以看出,60000m3/h空分設(shè)備分子篩吸附器采用2根和3根多孔管結(jié)構(gòu)的M值明顯比采用單根多孔管結(jié)構(gòu)的小。比較床層縱向最大速度與平均速度的比值R可以發(fā)現(xiàn),R2和R3也小于R1。在多孔管的開孔面積和開孔率相等的情況下,綜合分析M值和R值可知,采用2根或3根多孔管的分子篩吸附器內(nèi)流場分布優(yōu)于采用單根多孔管的情況,說明通過該結(jié)構(gòu)變化能夠達到優(yōu)化其內(nèi)部流場分布的目的。究其原因,主要是由于分子篩吸附器總體長度很大,過長的單根多孔管長度不能有效地將進入分子篩吸附器的空氣輸送到封頭端部,進而不同區(qū)

25、域內(nèi)流量差異狀況惡化。2根或3根多孔管的結(jié)構(gòu)縮短了進氣口和封頭的距離,能夠較好地分配分子篩吸附器內(nèi)的流場,彌補單根多孔管的不足,更有利于分子篩床層對二氧化碳、水以及碳氫化合物的吸附凈化。此外,采用2根和3根多孔管結(jié)構(gòu)的分子篩床層在大部分截面上兩者的不均勻度M值相等,其他截面上的M2略大于M3。比較R2和R3則可知,個別床層的R2小于R3,而絕大多數(shù)床層的R2大于R3,不過兩值相差較小。如果按各床層的平均值來計算,M2和M3比M1分別小13 2%和15 2%,R2和R3比R1分別小8 6%和9 1%。從這兩方面來看,采用3根多孔管時的流場分布比采用2根多孔管時的流場分布優(yōu)勢并不大。計算結(jié)果還顯示

26、,采用單根、2根和3根多孔管作為分布器的分子篩吸附器總壓降分別為7838 1Pa、4983 1Pa和4464 5Pa,可見兩根多孔管和3根多孔管結(jié)構(gòu)的總壓降比單根多孔管結(jié)構(gòu)的總壓降分別小36 4%和43 0%。主要原因是單根多孔管分子篩吸附器內(nèi)空氣的流動路徑要長,沿程阻力增加,進而會增加能耗。而2根與3根多孔管之間的差別相對較小。和3根多孔管結(jié)構(gòu)的分子篩吸附器進行了模擬分析和比較。結(jié)果顯示,采用2根多孔管作為氣流分布器的分子篩吸附器不僅壓降比單根多孔管的小36 4%,而且床層上的氣流分布也要優(yōu)于后者,主要體現(xiàn)在分子篩床層的不均勻度M和縱向最大速度與平均速度的比值R均減小,如果按各床層的平均值來

27、計算,分別小13 2%和8 6%。然而,3根多孔管結(jié)構(gòu)的分子篩吸附器相比于單根多孔管結(jié)構(gòu),雖然壓降小43 0%,但是在不均勻度M和縱向最大速度與平均速度之比值R方面分別只減小了15 2%和9 1%,相對于2根多孔管結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢并不明顯。說明采用2根多孔管結(jié)構(gòu)的氣流分布器已經(jīng)達到比較好的效果,考慮到加工工藝、流程復(fù)雜性和制造成本等因素,通過繼續(xù)增加多孔管的根數(shù)來優(yōu)化氣流分布并非很有必要。參考文獻:1周智勇,盧杰.特大型空分設(shè)備的開發(fā)J.深冷技術(shù),2003(4):12 15.2CASTLEWF Airseparationandliquefaction:recentdevelopmentsandprospectsforthebeginningofthenewmillenniumJ.InternationalJournalofRefrigeration,2002,25:3韓云松.2009(1)4MARTIN158 172.分子篩吸附器制造技術(shù)J.杭氧科技,22 25.PD,SWANTONSW