fluent软件在径向吸附器流场模拟的应用

2013-04-02缪樟臻潘明中国空分设备有限公司

化工管理 2013年10期

缪樟臻潘明 (中国空分设备有限公司)

前言

随着空分装置向大型化发展，卧式和立式垂直流吸附器已难以满足要求，而径向流吸附器在工作时，气流沿径向流动，气流的流通截面是大面积的圆环面，减小气体流动阻力。立式径向流吸附器的安装形式为垂直安装，占地面积仅为卧式吸附器的25%左右[1]。但是与卧式吸附器相比，径向流吸附器结构较复杂，特别是存在着流体沿轴向均布的问题。进出口气流的轴向均匀分布直接决定纯化器的吸附效果，因此对进出口的气流分布进行研究是很必要的。本文使用fluent软件对空气在吸附器内的流场运动进行模拟。

一、径向流吸附器

径向流分子筛吸附器的正常工作流程分为吸附过程和再生过程。在吸附过程中，空气在其中沿轴向作向心的变质量流动；而在再生过程中，污氮在其中沿轴向做离心的变质量流动。与卧式吸附器不同，气体在径向流吸附器中做径向流动。

影响径向流吸附器气流分布的因素有：反应器的长度、床层空隙率、分子筛和氧化铝粒径、分子筛和氧化铝床层厚度、多孔板的开孔率、床层阻力和中心管与环管横截面之比，而中心管与环管横截面之比对气流分布的影响尤为突出[2]。

立式径向吸附器通过改变中心管道截面，引起中心管主流体速度和静压发生相应的变化，使径向的静压保持与轴向距离无关，以获得均匀一致的径向速度。这样就可避免采用小孔率的调节板额外增加的床层压降，达到流体均布，使空气通过吸附器的压力降达到最小。

二、fluent软件模型计算及简化模型

Fluent是目前国际上比较流行的商用CFD(Computational Fluid Dynamics)软件包，用来模拟从不可压缩到高度可压缩范围内的复杂流动。Fluent软件设计基于CFD软件群的思想，从用户需求角度出发，针对各种复杂流动的物理现象，Fluent软件采用不同的离散格式和数值方法。以期在特定的领域内使计算速度、稳定性和精度等方面达到最佳组合，从而高效率地解决各个领域的复杂流动计算问题[3]。

根据40000Nm3/h O2空分装置立式径向流纯化器结构选择参数建立模型，主要考虑横截面变化对流体分布的影响，即锥形分布器设计的合理性。简化忽略了空气入口时的分布和多孔板的开孔率对流体分布的影响。边界条件设置选择流量入口、自由出流，选择轴对称模型的中心轴，设置氧化铝和分子筛区域为多孔介质。

三、模拟计算及结果分析

由于吸附器工作时具有两种工况（吸附过程和再生过程），故针对不同的工况进行数值模拟。

3.1、吸附过程

吸附过程是个典型的π型向心流动，由于分流道内进口流体不断分流，引起静压不断回升，而合流道内则由于不断加入的流体使流速加大，引起静压不断下降，造成填充层两侧的压差沿轴向逐渐加大，以至于径向流速不均匀。虽然可以采用加大填充层两侧压差绝对值的办法，改善径向速度不均匀性，但这增加了阻力。本文中的吸附器设计通过在合流通道中增加分布锥，改变圆柱容器合流流道的流通截面积，使流道内静压朝着有利于径向流速均匀分布方向变化。

空气在多孔介质中流动迹线如图1所示，图2显示了在锥体分布器的影响下，两个截面x2+y2=1.752和x2+y2=0.622,即空气进入和离开多孔介质时的径向速度沿吸附器轴向分布。从图中可看出，在z=8～10m区域，其径向速度偏大，较易造成吸附床层穿透。

分子筛床层的气速分布性能通过气速分布不均匀度S进行考虑，其表达式为：

计算得截面x2+y2=0.622开孔区域的均匀度S=94%，x2+y2=1.752开孔区域的均匀度S=98%。吸附过程气流分布基本均匀，能满足空分设备对吸附器的要求。

3.2、再生过程

使用fluent软件里的非稳态模型进行求解，加入能量方程。设污氮入口温度为450K，加热前吸附器内初始温度为273K，加热时间为4200s。其他设置条件同吸附过程。为简化计算，再生加热过程中没考虑分子筛的吸附反应。

从图3中可看出，再生加热过程中，吸附器内的温度分布情况。集流流道因和气体直接接触，温度最高，然后温度由里向外进行传递。由于气体的入口速度和重力的作用下，流体在吸附器内朝出口方向流动。吸附器的上半部分温度不易得到提升，容易因再生不彻底，形成吸附死区，影响下次吸附过程。

从图3中可看出吸附器内截面x2+y2=0.622的温度是中间高，两边底。Z＞10m以上区域吸附器温度明显偏低。可见，在吸附器的再生过程设计中，不仅要考虑径向速度沿轴向的分布均匀，还要考虑气流温度分布，以尽可能少的能源消耗达到使吸附器内分子筛均能完全再生。

吸附器再生过程中气体在多孔介质中流动迹线如图4所示。集流流道中气体在区域1中形成涡流，使气体向上流动。但由于中心管与集流流道中的面积偏小，气体未能完全分布均匀，使气流很难向上流动。可通过在吸附器顶上安装呼吸阀，使分子筛在再生过程中，将吸附器上半部分分子筛得到完全再生，从而避免这区域可能造成的二氧化碳含量超标。