大型空分设备卧式垂直气流分子筛吸附器内的流场特征分析

1、大型空分设备卧式垂直气流分子筛吸附器内的流场特征分析胡 迪,金 滔,周智勇,汤 珂,林秀娜,顾燕新123456(1、2、4 浙江大学制冷与低温研究所,浙江省杭州市浙大路38号 310027;3、5、6 杭州杭氧股份有限公司设计院,浙江省杭州市东新路388号 310004)摘要:为了更好地研究大型空分设备分子筛吸附器内的流场特征,建立了以单根、2根和3根多孔管结构为气流分布器的60000m/h空分设备卧式垂直气流分子筛吸附器结构的数学模型,并采用FLUENT软件对其内部速度场分布进行数值分析。比较计算结果显示,采用2根多孔管结构的分子筛吸附器在流场分布和生产成本上都比其他两种结构更优,与2000

2、0m3/h空分设备卧式垂直气流分子筛吸附器相比,气流分布均匀性有所下降。关键词:分子筛吸附器;卧式;垂直气流;流场模拟中图分类号:TB662 文献标识码: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 言空分行业通过不断扩大空分设备的规模来满足各行各业对氧、氮、氩等产品持续上升的需求,应对日益突出的能

6、耗问题,但某些单元设备自身的局限性制约着其进一步发展1,空气纯化系统就是这类单元设备之一,其研究难题关键在于如何提高空气处理量、降低能耗等性能指标。目前,国内外大型空分设备对原料空气的净化均采用分子筛纯化收稿日期:2011 01 20系统2,一般由吸附器、再生加热设备以及阀门、管路和仪电控制设备等组成。分子筛纯化系统通过氧化铝和分子筛吸附净化原料空气中的水分、二氧化碳和碳氢化合物等杂质,避免低温管道的冻结和堵塞,确保空分系统安全运行,具有产品提取量大、操作简便、运转周期长和使用安全、可靠等诸多优点,是空分设备中的重要组成部分3。研究表明,分子筛纯化系统的效能不仅受空气温度、湿作者简介:胡迪,男

7、,1986年生,浙江大学制冷与低温研究所硕士研究生,主要研究方向为气体液化与分离技术。度、流速、压力以及吸附剂的再生完善程度和吸附床高度等因素的影响,还很大程度上与吸附器的结构设计有关4。随着吸附装置规模的扩大,容易出现吸附、再生效果不佳等问题,主要体现在气体分布不均匀、死空间区域增大、边流效应、偏流现象和分子筛粉化等现象,使得分子筛吸附层提前 穿透 ,致使其性能下降,能耗增加。目前,通过优化吸附器结构来攻克上述难题已成为空分技术领域重点关注的问题之一。分子筛纯化系统的主要设备是分子筛吸附器,其结构按照气流穿过床层的形式大致可分为以下3种6: 立式轴向气流吸附器; 卧式垂直气流吸附器; 立式径

8、向气流吸附器。卧式垂直气流吸附器是目前国内大中型空分设备所采用的主流形式,该结构的吸附器空气处理量较大,但是随着其结构尺寸的不断增大,气流分配不均匀、难以保持分子筛床层平整且占地面积大等缺点也越加突出7。在20000m3/h空分设备分子筛吸附器内,林秀娜提出了采用以单根多孔管作为气流分布器代替传统缓冲板,使分子筛吸附器内部流场分布得以明显改善,主要体现在分子筛床层的不均匀度变小、吸附器内偏流现象减弱等方面,于是分子筛纯化系统的吸附净化性能更佳,能耗更低8,9。相比之5下,在特大型空分设备中,例如60000m/h空分设备的分子筛吸附器,由于其流场空间更为庞大,若吸附器内径不变,则其长度约为200

9、00m3/h空分设备分子筛吸附器的3倍,这样势必会影响流场的均匀性。下面通过数值模拟,对采用单根多孔管结构的20000m3/h和60000m3/h空分设备分子筛吸附器的流场进行比较分析,结果显示:采用单根多孔管结构的60000m3/h空分设备分子筛吸附器内流场均匀性和压降均不理想。在此基础上,提出采用多根多孔管取代单根多孔管作为气流分布器,继而综合分析分别采用单根、2根和3根多孔管结构分子筛吸附器内的流场特征。31 分子筛吸附器工况及其数学模型某套60000m/h空分设备的卧式垂直气流分子筛吸附器,有效长度为2527m,内径为4 2m;上、下进出口均与多孔管相连,多孔管上布满规则排列的小圆孔;

10、在分子筛吸附器内水平铺设一块多孔板,自多孔板开始依次填装活性氧化铝和分子筛,填装空隙率取0 37。单根和2根多孔管分子筛吸附器的内部结构如图1所示,3根多孔管结构仍是对称结构,只是在原来基础上添加了多孔管数目,在此不另作图示意。3图1 卧式多孔管分子筛吸附器结构示意图吸附工况时,进口气体介质为空气,气体流量为31万m3/h,进口压力为0 59MPa,进口温度为17 。经查表计算,该状态下的空气密度 为7 00kg/m3,动力黏度 为1 8670 10-5Pa s。因可表征流场内气体可压缩性的马赫数小于0 3,且温度变化很小,此时空气可视为不可压缩流体。模型以稳态工况来计算,下面给出流体运动所满

11、足的控制方程组。质量守恒方程:+=0式中:u、v、w为速度矢量沿x、y、z轴的3个速度分量。动量守恒方程:ij(uiij)=-+ gi+Si(2)xi xi xj式中: 为密度;p为压力;gi为重力加速度; 为切应力;u为速度;Si为依据吸附剂床层产生的阻力所确定的衰减源项。FLUENT软件中将此源项定义为:Si=-(j=1(1)3Dij vj+j=13Cijvv)2magj(3)公式(3)等号右边括号内第一项是黏性损失项,第二项是惯性损失项;D和C是给定矩阵; 为动力黏度。简单、均匀的多孔介质在各个方向上的阻力都相同,此时可称为均相多孔介质。填装后的分子筛可视为均相,则源项可以相应简化为:S

12、i=-(vi+C2 vv)(4)2magi式中: 是渗透系数;C2是惯性阻力系数;将D和C分别定为1/ 和C2为对角单元的对角矩阵。公式(4)等号两边同时乘上厚度,就可以得到公式:vi+C2 vv) n(5) 2magi式中: P为压降; n为模型的真实厚度。FLUENT软件中提供了多种确定渗透系数和惯性阻力系数的方法,本文模型采用Ergun公式来确定P=-(分子筛床层的渗透系数和惯性阻力系数:2= v+ v2233LDpDp(6)3D2p =(7)150(1- )2C2=(8)3Dp式中:Dp是粒子平均直径; 是分子筛空隙率。图2多孔管简化模型图3 多孔板简化模型吸附工况时,3种不同结构多孔

13、管不同区域上的流速预计都在110m/s之间,多孔板处的气流速度在0 16m/s左右。将速度按一定差值均匀分段后,在不同的速度工况点监测压降情况。根据不同速度和压降特征,通过公式(5)可以确定渗透系数 和惯性阻力系数C2。吸附状态下多孔管和多孔板压降与速度关系曲线如图4、5所示。吸附工况下,多孔管压降与速度的拟合关系式为 P=32 04v-0 26v+0 13。由公式(5)可知, P与v的关系没有常数项,而一次项系数0 26又非常小,考虑将上式简化为 P=32 04v2,可计算得到C2=3038 9m-122 阻力系数的确定分子筛空隙率 取0 37,颗粒的平均直径Dp取2mm10,由公式(7)和

14、(8)算得分子筛床层的渗透系数 为0 34 10-8m2,惯性阻力系数C2为21765 7m-1。由于多孔管和多孔板上的孔径均很小,若按实际结构尺寸建立模型,则会因网格数过多而影响计算工作量、稳定性和收敛性等,因而宜采用简化模型。多孔介质模型可以将薄的面区域假设成一维 多孔跳跃 (porousjump),计算中采用经验公式定义多孔介质上的流动阻力。从本质上说,多孔介质模型就是在动量方程中增加了一个代表动量消耗的源项,即只要对这些面区域设置阻力系数和厚度就可求得流动阻力。于是,在此将多孔管或多孔板处理成多孔介质模型。考虑到在实际装置上进行测量的复杂性和操作难度,通过建立数值模型来计算其阻力系数。

15、鉴于多孔管和多孔板上孔的对称性,可以将两者的模型结构进行简化,分别如图2、图3所示。同时,多孔板压降2与速度的拟合方程为 P=295 24v2+28 38v-0 13,同理被简化为 P=295 24v+28 38v,可求得C2=2803 8m-1, =2 10-8m2。从图4、5可以看出,拟合公式曲线与简化公式曲线比较接近甚至重叠,说明简化后的阻力系数值与原值误差较小。3 模拟计算及结果分析建立采用单根多孔管作为分布器的吸附器模型,运用GAMBIT软件进行网格划分,将模型分成几个不同区域,规则区域(如多孔管)采用六面体结构化网格,而其余区域均为不规则区域,采用四面体非结构化网格处理,总网格数为

16、122万个。然后,运用FLUENT软件进行模拟计算,并运用三维定常流动、基于压力法的求解器和隐式算图4 多孔管压降与速度关系曲线图图5 多孔板压降与速度关系曲线图法11。边界条件取入口速度和出口压力,多孔管和多孔板处理成多孔跳跃,分子筛区域设置成多孔介质区域,其中阻力系数的计算如前所述。分子筛床层的气速分布性能通过纵向最大速度与平均速度的比值R和气速分布不均匀度M进行综合考虑,其中纵向即为垂直分子筛床层方向,自下向上为正方向,其中R和M的定义式分别为:R=vmax/v0(9)S0v-vy02M=()dS(10)S00v0式中:S0为截面面积;vy是截面上各点的纵向速度;vmax为截面纵向最大速

17、度;v0为截面纵向平均速度12。在模型里建立11个平面将分子筛床层自下向上等高分成10份,分别记作P0至P10,在每个截面上求得不均匀度M和纵向最大速度与平均速度的比值R。为了考察随着分子筛吸附器体积增大其内部流场分布变化的情况,对同样采用单根多孔管作为分布器的20000m3/h和60000m3/h空分设备分子筛吸附器内的流场进行比较,其分子筛床层各平面上的运行参数见表1,其中下标数字1代表分子筛吸附器内气流分布器采用单根多孔管结构时的情况。表1 两只不同容量分子筛吸附器吸附时各截面上的运行参数截面20000m3/h空分设备分子筛吸附器60000m3/h空分设备分子筛吸附器面积S 0/m2不均

18、匀度M 1v max 1/v 1比值R 1面积S0/m2不均匀度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从表1可以看出,同样采用单根多孔管结构作为气流分布器的分子筛吸附器,60000m/h空分设备分子筛吸附器内分子筛各床层的不均匀度M和纵向最大速度与平均速度的比值R均要大于20000m/h空分设备分子筛吸附器的值,如果按各床层平均值来计算,分别大29 9%和15 6%。说明在采用相同结构气流分布器的情况下,分子筛各床层的均匀性要随着分子筛吸附器体积的增大而明显变差。究其主要原因是分子筛吸附器在内径不变的情况下多孔管长度将

20、越来越长,进气口与封头端部间的距离也越来越远,吸附器内的气流越来越难被分配均匀,单根多孔管的结构已经不再适合60000m3/h空分设备分子筛吸附器,需要通过结P049 74M1不均匀度M2M3v1/(m/s)床层纵向平均速度v2/(m/s)v3/(m/s)vmax 1/(m/s)床层纵向最大速度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构的调整来弥补由于体积增大带来的不利影响。于是,研究小组提出采用多根多孔管结构作为60000m3/h空分设备分子筛吸附器内气流分布器,以期改善其流场分布。分别对采用2根和3根多孔管作为分布器的吸附器建立模型,方法与前述类似,并保证这两种结构与单根多孔管

22、结构具有相等的多孔管开孔面积和开孔率。在3种不同结构的60000m/h空分设备分子筛吸附器吸附时各床层上求得面积、不均匀度M、纵向平均速度v0、纵向最大速度vmax以及纵向最大速度与平均速度的比值R,见表2,其中下标数字1、2和3分别代表分子筛吸附器内气流分布器采用单根、2根和3根多孔管结构。3表2 3种不同结构分子筛吸附器吸附时各截面上的运行参数截面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从表2可以看出,60000m3/h空分设备分子筛吸附器采用2根和3根多孔管结构的M值明显比采用单根多孔管结构的小。比较床层纵向最大速度与平均速度的比值R可以发现,R2和R3也小于R1。在多孔管的开孔面积和开孔率相等的情况下,综合分析M值和R值可知,采用2根或3根多孔管的分子筛吸附器内流场分布优于采用单根多孔管的情况,说明通过该结构变化能够达到优化其内部流场分布的目的。究其原因,主要是由于分子筛吸附器总体长度很大,过长的单根多孔管长度不能有效地将进入分子筛吸附器的空气输送到封头端部,进而不同区

25、域内流量差异状况恶化。2根或3根多孔管的结构缩短了进气口和封头的距离,能够较好地分配分子筛吸附器内的流场,弥补单根多孔管的不足,更有利于分子筛床层对二氧化碳、水以及碳氢化合物的吸附净化。此外,采用2根和3根多孔管结构的分子筛床层在大部分截面上两者的不均匀度M值相等,其他截面上的M2略大于M3。比较R2和R3则可知,个别床层的R2小于R3,而绝大多数床层的R2大于R3,不过两值相差较小。如果按各床层的平均值来计算,M2和M3比M1分别小13 2%和15 2%,R2和R3比R1分别小8 6%和9 1%。从这两方面来看,采用3根多孔管时的流场分布比采用2根多孔管时的流场分布优势并不大。计算结果还显示

26、,采用单根、2根和3根多孔管作为分布器的分子筛吸附器总压降分别为7838 1Pa、4983 1Pa和4464 5Pa,可见两根多孔管和3根多孔管结构的总压降比单根多孔管结构的总压降分别小36 4%和43 0%。主要原因是单根多孔管分子筛吸附器内空气的流动路径要长,沿程阻力增加,进而会增加能耗。而2根与3根多孔管之间的差别相对较小。和3根多孔管结构的分子筛吸附器进行了模拟分析和比较。结果显示,采用2根多孔管作为气流分布器的分子筛吸附器不仅压降比单根多孔管的小36 4%,而且床层上的气流分布也要优于后者,主要体现在分子筛床层的不均匀度M和纵向最大速度与平均速度的比值R均减小,如果按各床层的平均值来

27、计算,分别小13 2%和8 6%。然而,3根多孔管结构的分子筛吸附器相比于单根多孔管结构,虽然压降小43 0%,但是在不均匀度M和纵向最大速度与平均速度之比值R方面分别只减小了15 2%和9 1%,相对于2根多孔管结构的优势并不明显。说明采用2根多孔管结构的气流分布器已经达到比较好的效果,考虑到加工工艺、流程复杂性和制造成本等因素,通过继续增加多孔管的根数来优化气流分布并非很有必要。参考文献:1周智勇,卢杰.特大型空分设备的开发J.深冷技术,2003(4):12 15.2CASTLEWF Airseparationandliquefaction:recentdevelopmentsandprospectsforthebeginningofthenewmillenniumJ.InternationalJournalofRefrigeration,2002,25:3韩云松.2009(1)4MARTIN158 172.分子筛吸附器制造技术J.杭氧科技,22 25.PD,SWANTONSW